CN103296123B - P-型碳量子点/n-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

P-型碳量子点/n-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池及其制备方法，其特征是以N-型硅基底层作为太阳能电池的基区，在N-型硅基底层的下表面设置In-Ga合金金属膜背电极层；在N-型硅基底层的上表面设置N-型硅纳米线阵列；在N-型硅纳米线阵列中的N-型硅纳米线的表面包裹P-型碳量子点薄膜层；在P-型碳量子点薄膜层表面设置金属电极层，P-型碳量子点薄膜层与金属电极层为欧姆接触。本发明工艺简单、适合大规模生产，可制备光吸收能力强、光电转换效率高的太阳能电池，为硅纳米阵列结构在太阳能电池的应用中奠定了基础。<!--1-->

Description

P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池。
背景技术
能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力。目前，全球能源短缺危机和生态环境的不断恶化逐渐加剧，世界各国积极研究和开发可再生能源。在众多可再生能源中，太阳能由于其清洁、绿色且是取之不尽用之不竭的可再生能源受到了世界各国的积极重视，被认为是能源危机和生态环境恶化的最佳解决途径。
太阳能电池是通过半导体P-N结或肖特基结的光伏效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。P-N结型太阳能电池目前应用较为普遍，在这种太阳能电池中，半导体内部吸收入射光子，产生空穴-电子对，空穴-电子对扩散至P-N结区并在P-N结内建电场的作用下分离，从而形成光电流。目前，商业化中普遍采用单晶体硅扩散P-N结的方法制备太阳能电池，虽然光电转换效率较高，但是存在着不可避免的缺点，如制备过程中需要高温处理、需要使用昂贵的仪器设备，从而使得制备成本居高不下。另一方面，单晶体硅具有较低的比表面积，对光的吸收效率不高，且形成的P-N结区面积较小，因此导致空穴-电子对的分离的面积有限。采用表面减反射层虽然可以一定程度上减少光吸收的损失，但是这又带来了额外的成本增加，并且减反射层带来的效果并不十分明显。因此从很大程度上制约了太阳能电池效率的提升，也限制了太阳能电池的进一步发展和推广应用。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种成本低、光吸收能力强、且光电转换效率高的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池的结构特点是：以N-型硅基底层作为太阳能电池的基区，在所述N-型硅基底层的下表面设置In-Ga合金金属膜背电极层，在所述N-型硅基底层的上表面设置N-型硅纳米线阵列；在所述N-型硅纳米线阵列中的N-型硅纳米线的表面包裹P-型碳量子点薄膜层；在所述P-型碳量子点薄膜层的表面设置金属电极层，所述P-型碳量子点薄膜层与所述金属电极层为欧姆接触。
本发明P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池的结构特点也在于：所述金属电极层为Au电极、Cu电极或Pt电极；所述金属电极层的厚度为10~30nm。
所述N-型硅基底层采用电阻率为0.1~20Ω/cm的N-型轻掺杂硅基底层。
所述碳量子点薄膜层的厚度为10~50nm。
本发明P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池的制备方法，其特点是按如下步骤进行：
a、在室温下，采用氢氟酸和硝酸银的混合溶液作为刻蚀液，利用金属辅助化学刻蚀的方法在所述N-型硅基底层的上表面制备N-型硅纳米线阵列；所述混合溶液中氢氟酸的浓度为4.0mol/L~5.5mol/L，所述混合溶液中硝酸银的浓度为0.001mol/L~0.05mol/L；
b、采用旋涂的方法将P-型碳量子点旋涂到所述N-型硅纳米线阵列中的N-型硅纳米线的表面，经自然晾干或烘干得到P-型碳量子点薄膜层；
c、采用电子束镀膜方法，在气压不大于10-3Pa的条件下，在P-型碳量子点薄膜层(4)的表面制备10~30nm金属电极层；
d、采用涂抹的方法在所述N-型硅基底层的下表面制备In-Ga合金金属膜，形成In-Ga合金金属膜背电极层。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明利用P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结的光伏性能制备太阳能电池，具有很大的结区面积供载流子分离，并能提供良好的导电路径来传输电荷，有利于太阳能电池效率的提升；
2、本发明设计了一种工艺简单且成本低廉的方法制备P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池，引入P-型碳量子点替代传统太阳能电池中的P区，避免了使用高温扩散和昂贵的仪器设备，降低了制备成本；
3、本发明充分利用了纳米结构材料所具有的大的比表面积的优势，克服了传统太阳能电池光吸收能力弱的缺点，避免了使用减反射层带来的额外成本的增加。
附图说明
图1为本发明P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池结构示意图；
图2为本发明实施例1制备的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池在黑暗下和AM1.5G模拟光源下的电流密度与电压关系特性曲线；
图中标号：1In-Ga合金金属膜背电极层；2N-型硅基底层；3N-型硅纳米线阵列；4P-型碳量子点薄膜层；5金属电极层。
具体实施方式
实施例1：
参见图1，本实施例P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池具有如下结构：
以N-型硅基底层2作为太阳能电池的基区，在N-型硅基底层2的下表面设置In-Ga合金金属膜背电极层1，在N-型硅基底层2的上表面设置N-型硅纳米线阵列3；在N-型硅纳米线阵列3中的N-型硅纳米线的表面包裹P-型碳量子点薄膜层4；在P-型碳量子点薄膜层4的表面设置金属电极层5，P-型碳量子点薄膜层4与金属电极层5为欧姆接触。
本实施例中P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池的制备方法是按如下步骤进行：
(1)在室温下，采用氢氟酸和硝酸银的混合溶液作为刻蚀液，利用金属辅助化学刻蚀的方法在5Ω/cm的N-型硅基底层2的上表面制备N-型硅纳米线阵列3；混合溶液中氢氟酸的浓度为4.8mol/L，混合溶液中硝酸银的浓度为0.02mol/L；
(2)采用旋涂的方法将P-型碳量子点旋涂到N-型硅纳米线阵列3中的N-型硅纳米线的表面，经自然晾干得到P-型碳量子点薄膜层4，厚度为25nm；
P-型碳量子点可以直接购得，也可以采用如下常规方法进行制备:
在室温下，采用超纯水作为溶液，使用两根纯度为99.9%的石墨棒分别作为阴极和阳极，阳极和所述阴极一部分插入超纯水中，一部分露在外面，在阳极和阴极之间施加60V的电压，利用电化学刻蚀的方法制备得到P-型碳量子点；
(3)采用电子束镀膜方法，在气压为8×10-4Pa的的条件下，在P-型碳量子点薄膜层4的表面制备13nmAu电极层；
(4)采用涂抹的方法在所述N-型硅基底层2的下表面制备In-Ga合金金属膜，形成In-Ga合金金属膜背电极层1。
基于本实例制备的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结在黑暗下和AM1.5G模拟光源下的电流密度与电压关系特性曲线如图2所示，从图2中看出制备的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结具有明显的光伏特性，经计算可知在100mW/cm2的模拟太阳光照射下，其开路电压为0.51V，电流密度为30.1mA/cm2，填充因子为0.593，转换效率为9.10%，与已有太阳能电池相比具有明显的提高。

Claims (4)

1.一种P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池，其特征是：以N-型硅基底层(2)作为太阳能电池的基区，在所述N-型硅基底层(2)的下表面设置In-Ga合金金属膜背电极层(1)，在所述N-型硅基底层(2)的上表面设置N-型硅纳米线阵列(3)；在所述N-型硅纳米线阵列(3)中的N-型硅纳米线的表面包裹P-型碳量子点薄膜层(4)；在所述P-型碳量子点薄膜层(4)的表面设置金属电极层(5)，所述P-型碳量子点薄膜层(4)与所述金属电极层(5)为欧姆接触；
所述金属电极层(5)为Au电极、Cu电极或Pt电极；所述金属电极层(5)的厚度为10～30nm。
2.根据权利要求1所述的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池，其特征是：所述N-型硅基底层(2)采用电阻率为0.1～20Ω/cm的N-型轻掺杂硅基底层。
3.根据权利要求1所述的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池，其特征是：所述碳量子点薄膜层(4)的厚度为10～50nm。
4.根据权利要求1所述的P-型碳量子点/N-型硅纳米线阵列异质结太阳能电池的制备方法，其特征是按如下步骤进行：
a、在室温下，采用氢氟酸和硝酸银的混合溶液作为刻蚀液，利用金属辅助化学刻蚀的方法在所述N-型硅基底层(2)的上表面制备N-型硅纳米线阵列(3)；所述混合溶液中氢氟酸的浓度为4.0mol/L～5.5mol/L，所述混合溶液中硝酸银的浓度为0.001mol/L～0.05mol/L；
b、采用旋涂的方法将P-型碳量子点旋涂到所述N-型硅纳米线阵列(3)中的N-型硅纳米线的表面，经自然晾干或烘干得到P-型碳量子点薄膜层(4)；
c、采用电子束镀膜方法，在气压不大于10-3Pa的条件下，在P-型碳量子点薄膜层(4)的表面制备10～30nm金属电极层(5)；
d、采用涂抹的方法在所述N-型硅基底层(2)的下表面制备In-Ga合金金属膜，形成In-Ga合金金属膜背电极层(1)。
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