CN103681887A - 掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池，包括由下而上依次逐层连接的背电极、p型硅衬底、n型层、减反射层和前电极，在n型层与减反射层之间分布有掺杂铝或硼的ZnO纳米线。本发明将掺杂ZnO纳米线组装到硅太阳电池基片表面，形成透明导电陷光结构复合层，增强电池对太阳光的有效吸收捕获，从而提高硅太阳电池的光电转换效率，比传统的硅太阳电池的光电转换效率提高1-5%。如某类型传统的硅太阳电池的光电转换效率是16%，则本发明公开的掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的相应类型硅太阳电池光电转换效率可达17-21%。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳电池，具体涉及一种掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池。
背景技术
在太阳电池器件中，硅材料不能将光线入射光完全吸收，将造成太阳电池器件的效率损失。通过聚焦太阳光，增加光子密度可以减小p-n结接触电压的损失，为此人们设计了各种新型高效的表面陷光结构。
经对现有相关文献的检索发现，有研究者研究了使用ZnS纳米颗粒与电池窗口层和背电极界面反射层组装成陷光结构复合太阳电池（C.Y.Huang,D.Y.Wang,C.H.Wang,Y.T.Chen,Y.T.Wang,Y.T.Jiang,Y.J.Yang,C.C.Chen,Y.F.Chen,Efficient light harvesting by photon downconversion and light trappingin hybrid ZnS nanoparticles/Si nanotips solar cells[J],ACS Nano2010,4:5849–5854.），降低了光在太阳电池表面的反射率，提高了太阳电池光电转换效率。ZnO纳米线是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带氧化物半导体材料，其原材料储量丰富，价格低廉，同时具有优良的透明导电性能，已在纳米太阳电池领域得到了一定应用。但单纯的ZnO纳米线，导电性能并不十分理想，限制了太阳电池光电转换效率的进一步提高。
因此，本领域技术人员不断研究提高太阳电池光电转换效率的新方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服上述现有技术的不足，提出一种掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池。
为实现上述目的，本发明提供了一种掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池。将掺杂ZnO纳米线组装到太阳电池的n型层表面形成透明导电陷光结构复合层，入射光与纳米线结构表面的自由电荷相互作用而形成陷光结构，光场能够沿纳米线散射和传播，合理的透明导电陷光组装结构能够使更多的光线进入太阳电池得到有效吸收捕获，提高太阳电池的光电转换效率。
本发明通过以下技术方案实现：
一种掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池，包括由下而上依次逐层连接的背电极、p型硅衬底、n型层、减反射层和前电极；在n型层和减反射层之间分布有掺杂ZnO纳米线。
进一步地，掺杂ZnO纳米线为铝（Al）或硼（B）掺杂的ZnO纳米线。
更进一步地，掺杂ZnO纳米线是通过碳热还原法制备的掺杂铝（Al）或硼（B）的ZnO纳米线。
进一步地，掺杂ZnO纳米线的直径在10-100纳米之间。
进一步地，掺杂ZnO纳米线的单根长度大于1000纳米。
进一步地，掺杂ZnO纳米线分布密度为1-10万根/平方毫米。
进一步地，背电极为铝制电极。
进一步地，减反射层为氮化硅（Si3Nx）或者二氧化硅（SiO2）。
进一步地，前电极为银栅电极。
进一步地，硅太阳电池是单晶硅太阳电池或多晶硅太阳电池。
本发明通过以下方式制备获得：
在制作完成硅太阳电池的p型硅衬底和n型层后，将掺杂铝或硼的ZnO纳米线超声分散到有机溶剂中，然后组装到硅太阳电池基片的受光面的表面，制备得到单晶硅太阳电池或多晶硅太阳电池。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：基于碳热还原法大量可控制备掺杂铝或硼的ZnO纳米线，运用非真空大面积低成本纳米线组装复合薄膜制备技术，构筑典型硅太阳电池（晶体硅太阳电池和多晶硅太阳电池）n型层和减反射层的高效纳米线陷光复合结构，利用ZnO纳米线的透明导电性和调制光波波导作用，复合的透明导电陷光结构产生协同效应，进一步减小串联电阻，增强太阳电池的陷光性能，从而全面提高太阳电池光电转换效率，比传统的硅太阳电池的光电转换效率提高1-5%。如某类型传统的硅太阳电池的光电转换效率是16%，则本发明公开的掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的相应类型硅太阳电池光电转换效率可达17-21%。这对取得新型太阳电池技术重要知识产权和应用基础研究重大成果具有重要意义。此方法适用于各种硅太阳电池。
以下将结合附图对本发明的构思、具体实例及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明。提供这些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明的权利要求的范围。
附图说明
图1为本发明一个较佳实施例获得的硅太阳电池的结构示意图；
图2为图1中硅太阳电池组装有掺杂ZnO纳米线的表面扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池包括由下而上依次逐层连接的背电极1、p型硅衬底2、n型层3、减反射层4和前电极5，其中n型层3和减反射层4之间组装有掺杂ZnO纳米线层6。掺杂ZnO纳米线的直径在10-100纳米之间，单根长度大于1000纳米，具体为通过碳热还原法制备的铝（Al）或硼（B）掺杂的ZnO纳米线，经多项反复实施，性能和效果符合本项发明的要求；掺杂ZnO纳米线涂层6在n型层3的表面，分布密度在1-10万根/平方毫米的范围内经多项（1万根/平方毫米、5万根/平方毫米、10万根/平方毫米等等实例）实施性能和效果符合本项发明的要求。
背电极1为铝制电极，采用丝网印刷方法形成。n型层3通过高温离子扩散工艺而形成；高温离子可选用磷。减反射层4为氮化硅（Si3Nx）或者二氧化硅（SiO2），采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积形成，其厚度为70纳米左右；前电极5为银栅电极，采用丝网印刷方法形成。
在制作完成硅太阳电池的p型硅衬底2和n型层3后，将掺杂铝或硼的ZnO纳米线超声分散到有机溶剂中，然后组装到单晶硅硅太阳电池基片的受光面的表面，制备得到单晶硅太阳电池。经过上述步骤，得到的在硅太阳电池基片表面组装有掺杂铝或硼的ZnO纳米线，扫描电镜照片如图2所示。图2中白色的线状物即为掺杂ZnO纳米线，分布较均匀，单根长度达数个微米。
对ZnO进行掺杂，增强其导电性，随后构筑复合透明导电陷光结构太阳电池，能进一步减小串联电阻，增强太阳电池的陷光性能，全面提高太阳电池的光电转化效率并降低制造成本。本实施例的掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的单晶硅太阳电池的光电转换效率由传统太阳电池的16%提高到了20%，对改善太阳电池性能具有重要现实意义。
实施例2
将实施例1中的单晶硅太阳电池改为多晶硅太阳电池，得到掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的多晶硅太阳电池。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的硅太阳电池，其特征在于，所述硅太阳电池包括由下而上依次逐层连接的背电极、p型硅衬底、n型层、减反射层和前电极；在所述n型层和所述减反射层之间分布有掺杂ZnO纳米线。
2.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线为掺杂铝或硼的ZnO纳米线。
3.根据权利要求1或2中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线通过碳热还原法制备。
4.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线的直径在10-100纳米之间。
5.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线的单根长度大于1000纳米。
6.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线的分布密度为1-10万根/平方毫米。
7.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述背电极为铝制电极。
8.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述减反射层为氮化硅或者二氧化硅。
9.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述前电极为银栅电极。
10.根据权利要求1中所述的硅太阳电池，其特征在于，所述硅太阳电池是单晶硅太阳电池或多晶硅太阳电池。
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