CN103346260A - 有机薄膜钝化的有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

有机薄膜钝化的有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池，主要包括正面银栅电极、有机导电薄膜、烷基化处理的n型单晶硅基体、背面铝电极或铟镓合金电极，还包括有机薄膜钝化层，有机薄膜钝化层覆于烷基化处理的n型单晶硅基体的正面，上覆盖有机导电薄膜，有机导电薄膜上设有正面银栅电极，烷基化处理的n型单晶硅基体的背面覆有铝电极或铟镓合金电极，并与之形成欧姆接触；本发明采用简单的旋涂法在硅表面形成不同种类的有机钝化膜，形成基于有机薄膜钝化层的光电转化效率达到11%有机-无机杂化的异质结太阳能电池。

Description

有机薄膜钝化的有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新型异质结太阳能电池及其制备，尤其涉及一种基于有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
由于单晶硅具有资源丰富、无毒性、宽波段的光吸收范围等优势，而成为商业化太阳能电池制作的主要原料。单晶硅太阳能电池的光电转换效率很高，但是在其生产中需要高纯度的硅、高温退火过程（大约1000℃）以及复杂的制作过程，导致该类电池造价昂贵。随着太阳能电池行业的发展，有机太阳能电池由于其材料便宜、退火温度低、制作过程简单等优势而有希望降低其生产成本，然而有机太阳能电池的效率远低于单晶硅电池。因此基于无机硅材料和有机半导体的有机-无机杂化太阳能电池越来越受到人们的关注，它提供了一种既可以简化制造步骤又可以降低成本的生产技术。在这种电池器件中，硅不但作为主要的吸光层还作为光生载流子的产生和传输层，而有机半导体只作为电荷传输层，所以有机-无机界面是该类电池性能的主要影响因素之一。
近年来，有关硅表面的钝化技术引起了人们的广泛关注。基于H-Si的杂化电池的器件性能很差，这是由于电池界面处电荷复合速率高以及不利的内建电场的影响。SiOx薄层作为钝化层抑制硅表面复合的研究引起了人们的关注，公开号为102364696A，名称为“晶体硅太阳能电池的钝化方法”的中国发明专利，在低温下用热氧化的方法在硅片的表面生长一层厚度为5～50nm的二氧化硅薄膜，温度范围为600～800℃，氧化时间为5～60min。二氧化硅薄膜作为太阳能电池的一层钝化层，在这层钝化层的表面另外再沉积一层钝化层，形成叠层的钝化膜来钝化电池的表面。然而研究发现SiOx的厚度很难控制，较厚的SiOx层将变成电池器件中电荷传输的障碍，而阻碍电荷的有效传输，进而引起器件的性能变差。用湿化学法将有机单分子层接到硅表面的研究吸引了人们极大的关注，公开号为102263204A，名称为“一种有机-无机杂化太阳能电池及其制备方法”的中国发明专利，采用硅纳米线阵列与共轭有机物构成三维径向的p-n结杂化结构。研究表明，在甲基化处理硅表面的钝化方法中，硅表面的悬空键不可能完全被甲基基团覆盖，甲基化钝化的硅表面的表面复合速率为45cm/s，远大于SiOx层钝化硅的表面复合速率（3cm/s），因此基于甲基钝化的平面硅的杂化太阳能电池器件的光电转换效率仅为6.5%。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池，提高有机-无机杂化太阳能电池的光电转换效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的基于有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池，主要包括正面银栅电极、有机导电薄膜、烷基化处理的n型单晶硅基体、背面铝电极或铟镓合金电极，还包括有机薄膜钝化层；
其中，所述有机薄膜钝化层覆于烷基化处理的n型单晶硅基体的正面，有机薄膜钝化层上覆盖有机导电薄膜，有机导电薄膜上设有正面银栅电极，烷基化处理的n型单晶硅基体的背面覆有铝电极或铟镓合金电极，所述铝电极或铟镓合金电极与烷基化处理的n型单晶硅基体形成欧姆接触。
上述技术方案中，构成所述有机薄膜钝化层的有机物选自支化聚乙烯亚胺（Branched Polyethylenimine，PEI）、聚乙烯醇（Polyvinyl Alcohol，PVA）、聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）中的一种。
上述技术方案中，所述有机薄膜钝化层的厚度为1～3纳米；优选的，所述有机薄膜钝化层的厚度为2纳米。
上述技术方案中，所述有机导电薄膜为聚（3,4乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐（Poly(3,4-ethylene-dioxythiophene):Polystyrenesulfonate，PEDOT:PSS）。
上述技术方案中，所述有机导电薄膜的厚度为50～200纳米；优选的，所述有机导电薄膜的厚度为100纳米。
本发明的技术方案中，有机薄膜钝化层可以有效减少硅基体的表面缺陷，避免了电子空穴的大量快速复合的可能，有益于提高载流子在硅/导电聚合物所形成的肖特基结界面处的分离和传输效率。
本发明还公开了一种制备上述基于有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池的方法，该方法的具体步骤如下：
（1）将清洗干净的n型单晶硅平面用HF（氢氟酸）处理除去二氧化硅绝缘层，然后对硅表面进行烷基化处理，得烷基化处理的n型单晶硅基体；
（2）在烷基化处理的n型单晶硅基体上匀胶旋涂有机物溶液，惰性气体保护下，在100℃的条件下进行退火处理10分钟，形成有机薄膜钝化层；
（3）在有机薄膜钝化层上匀胶旋涂导电聚合物溶液形成有机导电薄膜；
（4）真空蒸镀制备正面银栅电极收集空穴；
（5）在烷基化处理的n型单晶硅基体背面真空蒸镀铝金属或涂抹镓铟合金制备背电极，与硅基底形成欧姆接触，得到有机-无机杂化太阳能电池。
上述技术方案中，步骤（2）所述的有机物溶液的有机物为支化聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种。
上述技术方案中，步骤（2）所述的有机物溶液的溶剂为2-甲氧基乙醇、去离子水、甲苯中的一种。
上述技术方案中，步骤（2）所述的匀胶旋涂的速率为4000～5000转/分钟。
上述技术方案中，步骤（3）所述的导电聚合物溶液为PEDOT:PSS水溶液。
上述技术方案中，步骤（3）所述的导电聚合物溶液的匀胶旋涂速率为1800～2000转/分钟。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1、本发明提供一种有机导电薄膜/有机薄膜钝化层/无机硅基底的异质结杂化太阳能电池结构，通过对硅基底表面的烷基化处理，有效减少硅基底表面的悬空键，起到初步的钝化作用，提高硅基底的稳定性。
2、本发明在硅基底的表面旋涂有机物溶液，退火处理后形成有机薄膜钝化层。由于烷基化处理无法完全覆盖硅表面的悬空键，有机薄膜的存在可以进一步的钝化硅基底，降低硅基底表面的缺陷态密度，增强相应杂化太阳能电池的电荷分离传输能力，提高电池的光电转换性能和稳定性。
3、本发明中，主要采用溶液旋涂成膜的方法制备杂化太阳能电池，简化了制备工艺，避免大型设备的应用，降低了电池的生产成本。
4、本发明通过控制匀胶机的旋涂速度来调整硅基底表面有机钝化层的厚度，得到合适厚度的有机钝化层，既可以有效钝化硅表面，又不影响电池电荷的传输与分离，从而提高电池器件的光电转换效率。
5、本发明技术有效实现了溶液旋涂法制备杂化太阳能电池的钝化层，该方法操作简单、环境友好、能耗低，符合国家能源发展的战略方针。
6、本发明将PEI、PVA、PMMA、PS等聚合物材料应用到有机-无机杂化太阳能电池中，充分利用了有机聚合物材料优异的化学、光学性能，改善了硅表面的钝化效果，大大改善了杂化电池器件的光电转换效率和稳定性，同时有机聚合物材料成本低，有效降低电池的生产成本。
7、本发明在硅基表面覆盖一层低表面张力的薄膜，为水溶性高分子在薄膜表面提供更好的铺展性，有利于形成较好的电荷收集层薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一所得有机-无机杂化太阳能电池的电流密度-电压（J-V）曲线图以及外量子效率（EQE）-波长曲线图；
图2为实施例二所得有机-无机杂化太阳能电池的J-V曲线图以及EQE-波长曲线图；
图3为实施例三所得有机-无机杂化太阳能电池的J-V曲线图以及EQE-波长曲线；
图4为硅表面覆盖不同高分子薄膜的表面接触角（CA）。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
采用商业化n型单晶硅片（100），厚度为420微米，电阻率为0.9～1.3欧姆·厘米，将n型硅片清洗干净，置于手套箱中进行烷基化处理，即先将硅基底浸到饱和的五氯化磷氯苯溶液中，在110℃左右条件下反应30min，然后用氯苯溶液、四氢呋喃溶液分别连续洗涤两次，清洗后的硅基底再浸到甲基氯化镁（CH3MgCl）的四氢呋喃溶液（1M）中，在80℃条件下反应8h，最后在稀盐酸溶液中浸泡40min，用氮气枪吹干，备用。
以2-甲氧基乙醇为溶剂，配制不同浓度的PEI溶液。然后在硅基底上以5000转/分钟的速度旋涂不同浓度的PEI溶液，旋涂时间均为1min，随后在100℃下退火10min，形成不同厚度的PEI有机薄膜钝化层。
然后在含有有机薄膜钝化层的硅基底上以2000转/分钟旋涂有机导电聚合物溶液（PETDOT:PSS），旋涂时间为1min，随后在125℃条件下做退火处理，得到有机导电薄膜。
在高真空条件下在PEDOT:PSS导电薄膜上热蒸镀厚度为200nm的银栅电极，在硅片背面热蒸镀铝电极，形成基于有机钝化薄膜的有机-无机杂化太阳能电池。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光AM1.5，光强100mWcm-2条件下，测得最佳电池的短路电流28.6mAcm-2，开路电压为0.574V，填充因子为0.67，光电转换效率为11%，其J-V曲线以及EQE-波长曲线如图1所示。
实例二
采用商业化n型单晶硅片（100），厚度为420微米，电阻率为0.9～1.3欧姆·厘米，将n型硅片清洗干净，置于手套箱中进行烷基化处理，即先将硅基底浸到饱和的五氯化磷氯苯溶液中，在110℃左右条件下反应30min，然后用氯苯溶液、四氢呋喃溶液分别连续洗涤两次，清洗后的硅基底再浸到甲基氯化镁（CH3MgCl）的四氢呋喃溶液（1M）中，在80℃条件下反应8h，最后在稀盐酸溶液中浸泡40min，用氮气枪吹干，备用。
以去离子水为溶剂，配制不同浓度的PVA溶液。然后在硅基底上以5000转/分钟的速度旋涂不同浓度的PVA溶液，旋涂时间均为1min，随后在100℃下退火10min，形成不同厚度的PVA有机薄膜钝化层。
然后在含有有机薄膜钝化层的硅基底上以2000转/分钟旋涂有机导电聚合物溶液（PETDOT:PSS），旋涂时间为1min，随后在125℃条件下做退火处理，得到有机导电薄膜。
在高真空条件下在PEDOT:PSS导电薄膜上热蒸镀厚度为200nm的银栅电极，在硅片背面热蒸镀铝电极，形成基于有机钝化薄膜的有机-无机杂化太阳能电池。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光AM1.5，光强100mWcm-2条件下，测得最佳电池的短路电流27.1mAcm-2，开路电压为0.54V，填充因子为0.67，光电转换效率为9.8%，其J-V曲线以及EQE-波长曲线如图2所示。
实例三
采用商业化n型单晶硅片（100），厚度为420微米，电阻率为0.9～1.3欧姆·厘米，将n型硅片清洗干净，置于手套箱中进行烷基化处理，即先将硅基底浸到饱和的五氯化磷氯苯溶液中，在110℃左右条件下反应30min，然后用氯苯溶液、四氢呋喃溶液分别连续洗涤两次，清洗后的硅基底再浸到甲基氯化镁（CH3MgCl）的四氢呋喃溶液（1M）中，在80℃条件下反应8h，最后在稀盐酸溶液中浸泡40min，用氮气枪吹干，备用。
以甲苯为溶剂，配制不同浓度的PMMA溶液。然后在硅基底上以4000转/分钟的速度旋涂不同浓度的PMMA溶液，旋涂时间均为1min，随后在100℃下退火10min，形成不同厚度的PMMA有机薄膜钝化层。
然后在含有有机薄膜钝化层的硅基底上以2000转/分钟旋涂有机导电聚合物溶液（PETDOT:PSS），旋涂时间为1min，随后在125℃条件下做退火处理，得到有机导电薄膜。
在高真空条件下在PEDOT:PSS导电薄膜上热蒸镀厚度为200nm的银栅电极，在硅片背面热蒸镀铝电极，形成基于有机钝化薄膜的有机-无机杂化太阳能电池。
在室温环境，使用氙灯模拟太阳光AM1.5，光强100mWcm-2条件下，测得最佳电池的短路电流28mAcm-2，开路电压为0.53V，填充因子为0.63，光电转换效率为9.4%，其J-V曲线以及EQE-波长曲线如图3所示。
图4为硅表面覆盖不同高分子薄膜的表面接触角（CA），依次为PEI、PVA、PMMA和PS。
综上所述，本发明采用简单的旋涂法在硅表面形成不同种类的有机钝化膜，形成基于有机薄膜钝化层的有机-无机杂化的异质结太阳能电池。通过选用不同种类的聚合物材料，制备不同种类的有机薄膜钝化层，并研究了有机钝化膜对器件性能的影响。通过优化有机薄膜钝化层的厚度，制备了光电转化效率达到11%有机-无机杂化太阳能电池。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (13)

1.一种基于有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池，主要包括正面银栅电极、有机导电薄膜、烷基化处理的n型单晶硅基体、背面铝电极或铟镓合金电极其特征在于，其特征在于：所述的有机-无机杂化太阳能电池还包括有机薄膜钝化层；其中，所述有机薄膜钝化层覆于烷基化处理的n型单晶硅基体的正面，有机薄膜钝化层上覆盖有机导电薄膜，有机导电薄膜上设有正面银栅电极，烷基化处理的n型单晶硅基体的背面覆有铝电极或铟镓合金电极，所述铝电极或铟镓合金电极与烷基化处理的n型单晶硅基体形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的有机-无机杂化太阳能电池，其特征在于：构成所述有机薄膜钝化层的有机物为支化聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种。
3.根据权利要求1所述的有机-无机杂化太阳能电池，其特征在于：所述有机薄膜钝化层的厚度为1～3纳米。
4.根据权利要求3所述的有机-无机杂化太阳能电池，其特征在于：所述有机薄膜钝化层的厚度为2纳米。
5.根据权利要求1所述的有机-无机杂化太阳能电池，其特征在于：所述有机导电薄膜为聚（3,4乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐。
6.根据权利要求1所述的有机-无机杂化太阳能电池，其特征在于：所述有机导电薄膜的厚度为50～200纳米。
7.根据权利要求6所述的有机-无机杂化太阳能电池，其特征在于：所述有机导电薄膜的厚度为100纳米。
8.一种制备权利要求1所述的基于有机薄膜钝化硅表面的有机-无机杂化太阳能电池的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）将清洗干净的n型单晶硅平面用HF处理除去二氧化硅绝缘层，然后对硅表面进行烷基化处理，得烷基化处理的n型单晶硅基体；
（2）在烷基化处理的n型单晶硅基体上匀胶旋涂有机物溶液，惰性气体保护下，在100℃的条件下进行退火处理10分钟，形成有机薄膜钝化层；
（3）在有机薄膜钝化层上匀胶旋涂导电聚合物溶液形成有机导电薄膜；
（4）真空蒸镀制备正面银栅电极收集空穴；
（5）在烷基化处理的n型单晶硅基体背面真空蒸镀铝金属或涂抹镓铟合金制备背电极，与硅基底形成欧姆接触，得到有机-无机杂化太阳能电池。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的有机物溶液的有机物为支化聚乙烯亚胺、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的有机物溶液的溶剂为2-甲氧基乙醇、去离子水、甲苯中的一种。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的匀胶旋涂的速率为4000～5000转/分钟。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的导电聚合物溶液为聚（3,4乙烯二氧噻吩）：聚苯乙烯磺酸盐水溶液。
13.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：步骤（3）中，所述的匀胶旋涂的速率为1800～2000转/分钟。
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