CN103426938B - 一种新型结构的硅纳米材料太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
<b>本发明涉及一种新型结构的硅纳米材料太阳能电池及其制备方法，该新型结构的硅纳米材料太阳能电池，包括由上而下依次设置的顶部电极、修饰过的具有压电效应且能够产生内建电场的硅纳米材料、底电极。本发明不借助于传统的</b><b>p-n</b><b>结，而是先制备硅纳米材料，然后对其进行修饰使其产生内建电场，再将硅纳米材料组装成膜或形成阵列后，蒸上电极，即可制成太阳能电池，效率可达</b><b>10%</b><b>。本发明不需要使用高纯度的硅材料，极大地降低了成本，具有很好的用途。</b>
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种新型结构的硅纳米材料太阳能电池及其制备方法。
背景技术
传统的太阳能电池是基于p-n结结构的，例如上海交通大学2011年5月31日申请的专利（201110143760.4）多晶硅纳米线太阳能电池及其制备方法，该多晶硅纳米线太阳能电池包括：由上而下依次设置的复合层栅电极、透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层、n型硅纳米线阵列、p型硅基底和金属背电极，透明ITO导电薄膜层、氮化硅钝化抗反射层和n型硅纳米线阵列均为方波结构，通过将p型多晶硅片与氢氟酸和硝酸银的混合液蚀刻反应后，通过对纳米线热扩散进行n型掺杂，制成由n型掺杂的纳米线结构多晶硅层和p型掺杂的多晶硅基底层组成p-n结；然后在纳米线结构多晶硅层的正面依次沉积氮化硅钝化抗反射层和透明ITO导电薄膜层，采用丝网印刷方式得到复合层栅电极、最后在p型基底背面采用溅射、蒸发或涂敷方式制备得到金属背电极并进行退火合金化处理，得到所述多晶硅纳米线太阳能电池。
又如申请号为200810065797.8的发明专利公开了一种太阳能电池，加入的碳纳米管结构具有诸多优点，但是其还是基于p-n结结构的，工艺也较复杂。
申请号为200710201402.8的发明专利公开了一种太阳能电池，包括一背电极层、一P型半导体层、一N型半导体层、一透明导电层，也是基于p-n结结构的。
上述基于p-n结结构的太阳能电池制备工艺复杂且制作困难，光电转换效率还有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种制备简单、不依赖于p-n结结构，且太阳能转换效率可达10%的新型结构的硅纳米材料太阳能电池。
本发明同时还要提供一种新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法。
为解决以上技术问题，本发明采取的一种技术方案是：
一种新型结构的硅纳米材料太阳能电池，包括由上而下依次设置的顶部电极、修饰过的具有压电效应且能够产生内建电场的硅纳米材料、底电极。
一种涉及上述的新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：准备硅纳米材料；
步骤二：对步骤一所得的硅纳米材料进行修饰，使其具有压电效应，产生内建电场；
步骤三：在步骤二所得的硅纳米材料两侧蒸上金属电极，或将硅纳米材料一侧组装在金属片或ITO基底上并在硅纳米材料的另一侧蒸上金属电极；
步骤四：封装后得到所述新型结构的硅纳米材料太阳能电池。
优选地，将步骤二所得的经修饰过的硅纳米材料组装成膜。
优选地，所述步骤二中硅纳米材料的修饰方法为将硅纳米材料与氧化剂在气相中相作用或将硅纳米材料与氧化剂在液相中相作用，使硅纳米材料部分氧化，在硅纳米材料的界面处生长出石英，由于其受外层氧化硅的制约，可产生内建电场。
进一步优选地，所述氧化剂为氧气或过氧化氢溶液。
优选地，所述的硅纳米材料与氧化剂在气相中相作用为：将硅纳米材料在马弗炉中600-1200℃加热，利用空气中的氧气使硅纳米材料部分氧化；所述的硅纳米材料与氧化剂在液相中相作用为：将硅纳米材料浸入质量分数5-15%的过氧化氢溶液中，然后转移到不锈钢釜中，拧紧釜盖，在100-300℃下保温1-10小时，使硅纳米材料部分氧化。
优选地，所述步骤二中硅纳米材料的修饰方法为将硅纳米材料在强场下辐射，强场作用于硅纳米材料，使其产生内建电场，所述的强场为α射线、β射线、γ射线、中子射线、X射线、微波场、紫外光、红外光、同步辐射光、激光、强电场或强磁场中的一种。
在本发明的一个实施方案中，所述步骤一中硅纳米材料采用如下方法合成:将掺杂硅片放在塑料容器中，加入质量分数1%-10%氢氟酸乙醇溶液，之后加入硝酸银固体，得到0.01-1mol/L浓度的硝酸银溶液，在5-100℃下反应1-5小时得到硅纳米材料。
在本发明的另一个实施方案中，所述步骤一中硅纳米材料采用如下方法合成:将二氧化硅粉末放置于管式炉中，炉子先抽气到气压为1Pa，在通入50标准立方厘米/分的5%H2/95%Ar混合载气的同时，将炉子升温，在1000-1300℃下反应8小时，当炉子自然冷却后，得到硅纳米材料。
优选地，所述步骤三中将经修饰过的硅纳米材料组装成膜的方法为：将硅纳米材料分散在溶液中，在表面活性剂的作用下进行组装；或将硅纳米材料分散在溶液中，在电场或磁场的作用下进行组装；或将硅纳米材料分散在溶液中，采用流体流动定向法进行组装。
由于以上技术方案的采用，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明新型结构的硅纳米材料太阳能电池不借助于传统的p-n结，而是合成具有压电效应的硅纳米材料，这种材料因具有陷光效应而增强太阳光吸收，从而激发出光生载流子：电子—空穴对；且硅纳米材料的内部因压电效应而产生沿轴向分布的内部电场，这一内部电场可将这些电性相反的光生载流子分开，在硅纳米材料的两端产生异性电荷的积累，从而产生光生电压，在硅纳米材料的两端引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出。我们的实验表明：这种新型结构的硅纳米材料太阳能电池可得到10%的太阳能转换效率。同时本发明不需要使用高纯度的硅材料，极大地降低了成本，且制备方法简单。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明实施例1中新型结构的硅纳米材料太阳能电池示意图；
图中：1、负载；2、顶部电极；3、底电极；4、硅线核处；5、石英外表面处；6、hv。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点，而本发明不受以下实施例的范围限制。实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1
将5毫米×5毫米的重掺杂硅片放在塑料杯中，加入10毫升质量分数5%的氢氟酸乙醇溶液，再加入硝酸银固体，得到0.1mol/L浓度的硝酸银溶液，在50℃下反应2小时得到硅纳米线，将所得到的带有硅纳米线的硅片在马弗炉中900℃加热5分钟，利用空气中的氧气使硅纳米线部分氧化，产生内建电场，从马弗炉中取出硅片，在硅片底部设置底电极，底电极与硅片表面欧姆接触，在硅片上部（有硅纳米线的一面）旋涂上一层导电胶，再蒸上透明电极，封装后即可制备太阳能电池，效率可达10%。
实施例2
将20毫克的硅纳米粒子（购自Aldrich,粒径小于100纳米，CAS号：7440-21-3）在同步辐射光下辐照1小时以产生内建电场，再分散在50毫升的水中，在电场或磁场的作用下进行组装，然后将悬浮液旋涂在ITO玻璃上，干燥后旋涂导电胶，蒸上金属电极，封装后即可制成太阳能电池，效率可达10%。
实施例3
将20毫克的硅纳米粒子（购自Aldrich粒径小于100纳米，CAS号：7440-21-3）在α射线下辐照2小时以产生内建电场，再分散在50毫升含有十二烷基苯磺酸钠的水溶液中，待组装成膜后，在移至ITO玻璃上，干燥后旋涂导电胶，蒸上金属电极，封装后即可制成太阳能电池，效率可达10%。
实施例4
将10毫克的硅纳米粒子（购自Aldrich,粒径小于100纳米，CAS号：7440-21-3）在红外光下照射5小时以产生内建电场，再分散在50毫升的水中，采用流体流动定向法进行组装，将悬浮液旋涂在ITO玻璃上，干燥后旋涂导电胶，蒸上金属电极，即可制成太阳能电池，效率可达9%。
实施例5
将5毫米×5毫米的重掺杂硅片放在塑料杯中，加入5毫升的10%氢氟酸乙醇溶液，再加入硝酸银固体，以得到0.05mol/L浓度的硝酸银溶液，在80℃下反应1小时以得到硅纳米线，将上述硅纳米线在X射线光下辐照1小时以产生内建电场，将硅线从硅片上剥离下来，分散在50毫升的水中得到悬浮液，将悬浮液旋涂在ITO玻璃上，干燥后旋涂导电胶，蒸上金属电极，即可制成太阳能电池，效率可达10%。
实施例6
将1克二氧化硅粉末放置于管式炉中，炉子先抽气到气压为1Pa，在通入50标准立方厘米/分的5%H2/95%Ar混合载气的同时将炉子升温，在1200℃下反应8小时，当炉子自然冷却后，可得到硅纳米线，将硅纳米线浸入50毫升质量分数10%的过氧化氢溶液中，然后转移到不锈钢釜中，拧紧釜盖，在180℃下保温2小时，使硅纳米线部分氧化，产生内建电场，之后将硅纳米线一侧置于金属基底上，在另一侧蒸上栅电极，即可制得太阳能电池，效率为9%。
以上对本发明做了详尽的描述，实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：准备硅纳米材料；
步骤二：将硅纳米材料与氧化剂在气相中相作用或将硅纳米材料与氧化剂在液相中相作用，使硅纳米材料部分氧化，在硅纳米材料的界面处生长出石英，使其具有压电效应，产生内建电场；所述的硅纳米材料与氧化剂在气相中相作用为：将硅纳米材料在马弗炉中600-1200℃加热，利用空气中的氧气使硅纳米材料部分氧化；所述的硅纳米材料与氧化剂在液相中相作用为：将硅纳米材料浸入质量分数5-15%的过氧化氢溶液中，然后转移到不锈钢釜中，拧紧釜盖，在100-300℃下保温1-10小时，使硅纳米材料部分氧化；
步骤三：在步骤二所得的硅纳米材料两侧蒸上金属电极，或将硅纳米材料一侧组装在金属片或ITO基底上并在硅纳米材料的另一侧蒸上金属电极；
步骤四：封装后得到所述新型结构的硅纳米材料太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，其特征在于：将步骤二所得的经修饰过的硅纳米材料组装成膜。
3.根据权利要求2所述的新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述的氧化剂为氧气或过氧化氢溶液。
4.根据权利要求1所述的新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤一中硅纳米材料采用如下方法合成:将掺杂硅片放在塑料容器中，加入质量分数1%-10%氢氟酸乙醇溶液，之后加入硝酸银固体，得到0.01-1mol/L浓度的硝酸银溶液，在5-100℃下反应1-5小时得到硅纳米材料。
5.根据权利要求1所述的新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤一中硅纳米材料采用如下方法合成:将二氧化硅粉末放置于管式炉中，炉子先抽气到气压为1Pa，在通入50标准立方厘米/分的5%H2/95%Ar混合载气的同时将炉子升温，在1000-1300℃下反应8小时，当炉子自然冷却后，得到硅纳米材料。
6.根据权利要求1所述的新型结构的硅纳米材料太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤三中将经修饰过的硅纳米材料组装成膜的方法为将硅纳米材料分散在溶液中，在表面活性剂的作用下进行组装；或将硅纳米材料分散在溶液中，在电场或磁场的作用下进行组装；或将硅纳米材料分散在溶液中，采用流体流动定向法进行组装。
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| 硅碳纳料材料在纳米发电机中的应用研究;阙荣辉;《中国博士学位论文全文数据库工程科技II辑》;20120915;正文第1-101页 * |
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