CN103762281B - 一种Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于太阳电池领域的一种Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，包括如下步骤：（1）在NaCl衬底上分别制备Ag和Au纳米颗粒；（2）将步骤1制备得到的样品浸入去离子水中，溶解衬底，离心后分别得到Ag和Au纳米颗粒；（3）将Ag和Au纳米颗粒共同溶于PEG-200胶体中，混匀；（4）采用旋涂法或者提拉法在薄膜太阳电池特定面制备得到有序排列的Ag和Au纳米颗粒阵列。本发明的制备方法重复性好，易控制，最终得到表面覆盖率为20%-40%的双金属纳米颗粒阵列，纳米颗粒消光呈现出双消光峰位，消光峰在300-700nm范围可调，该双金属纳米颗粒阵列多用于薄膜太阳电池的陷光结构。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，具体涉及一种适用于薄膜太阳电池的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法。
背景技术
能源是人类发展的基石。在传统矿物资源日益枯竭的今天，光伏发电在解决人类能源危机和环境问题方面扮演了越来越重要的角色，特别是第二代薄膜太阳电池，以其廉价与轻便等优点而备受青睐。但是，薄膜太阳电池目前所面临的一个重要问题就是如何解决载流子扩散长度与光吸收率之间的矛盾。众所周知，薄膜太阳电池吸收层材料中载流子的扩散长度往往比其光学吸收厚度低很多，即为保证载流子有效收集，材料必须足够“薄”，但“薄”的结果便是光吸收也会随之减少；反之，为保证太阳光的充分吸收，材料必须足够“厚”，但“厚”的结果会使得材料厚度超过载流子的扩散长度很多，致使载流子无法被有效收集。因此，这一固有的矛盾，使得越来越多的科学工作者将目光投向了薄膜太阳电池新型陷光结构的研究。
近年来，金属纳米颗粒以其独特的光、电及催化性质而有望在生物、医药和能源领域广泛应用，特别是其光散射和局域场增强效应，使其有望在薄膜太阳电池新型陷光结构方面大显身手。2006年，Pillai和Catchpole率先利用金属纳米颗粒作为太阳电池新型陷光结构，研究发现金属纳米颗粒表面等离激元可以显著提高太阳电池的光学吸收性能。Ouyang等人采用热蒸发加常规热退火法将平均粒径为120nm的Ag纳米颗粒沉积在非晶硅薄膜太阳电池的背表面，结果表明，在AM1.5太阳光谱辐照下，电池的短路电流和光电转换效率分别增加了13％和10％；Ozturk等人在氢化纳米晶硅太阳电池上沉积了稀疏的Ag纳米盘阵列，太阳电池总体光电流有高达10％的增强。Nakayama等人研究了不同形貌的金属纳米颗粒对太阳电池光电转换效率的影响，他们采用模板法在GaAs太阳电池上制备了尺寸可控的Ag纳米颗粒。结果表明，表面覆盖率较高，颗粒高度较高的Ag纳米颗粒的消光峰值最高，其共振峰的半高宽也相比最宽，其短路电流相对提高了8％。近年来，大量的研究结果不断证明以金属纳米颗粒作为太阳电池的陷光结构可以显著的促进太阳电池的光吸收，对于提高太阳电池的光电转换效率具有重大的意义。
但以前的研究工作绝大多数仅局限于单一的金属纳米颗粒，单一金属纳米颗粒，特别是在粒径较为一致的情况下，会显著促进太阳电池在特定光谱范围内吸收增强，但消光峰的半高宽较窄，难以实现太阳电池的广谱吸收。因此，对太阳电池光电转换效率的提高并不十分显著。若纳米颗粒的粒径分布范围宽，虽能展宽消光峰的半高宽，但消光峰强度显著降低，即虽能促进太阳电池的广谱吸收，但无法实现“高效”。为了解决广谱与高效的矛盾，可以引入双金属纳米颗粒陷光结构，不仅可以拓宽消光谱域(Ag纳米颗粒的消光峰在390-500nm范围可调；Au纳米颗粒的消光峰在500-700nm范围可调)，而且也不降低消光峰的峰强。Lu等对比研究单Au、单Ag、Au和Ag双金属纳米颗粒对于PTB7/PC70BM有机体异质结太阳电池光学吸收性能的影响，发现仅存在单金属Ag时，电池的ISC由无纳米颗粒陷光结构的15mA/cm2提高到16.4mA/cm2，η由7.25％提高至8.01％；仅存在单金属Ag时，电池的ISC提高到16.4mA/cm2，η提高至8.16％；而存在Au和Ag双金属纳米颗粒陷光结构时，由于两种颗粒的双共振作用，使得ISC高达17.7mA/cm2，η高达8.67％。相应地，电池的EQE结果显示，单Au、单Ag金属纳米颗粒表面等离激元对太阳电池光吸收性能均有不同程度的提高，而双金属纳米颗粒双共振作用，更是显著增强了光学吸收性能。
但是，上述研究工作一般采用化学法制备双金属纳米颗粒，而采用化学的方法制备的双金属纳米颗粒，重复性及可操作性较差，而且制备的纳米颗粒粒径较小，而根据Mie理论，粒径较小的纳米颗粒常以自身吸收为主，光散射性能较差，即陷光能力差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种薄膜太阳电池Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用磁控溅射法在两片NaCl单晶衬底上分别制备Ag和Au的薄膜，热退火处理后在衬底上形成Ag和Au的纳米颗粒；
步骤2：将步骤1得到的样品浸入去离子水中，将衬底溶解，离心后分别得到Ag和Au的纳米颗粒；
步骤3：将步骤2得到的Ag和Au的纳米颗粒共同置于PEG-200胶体中，搅拌均匀；
步骤4：将含有Ag和Au纳米颗粒的PEG-200胶体旋涂在基底上，在真空条件下热解除去PEG-200胶体溶剂，在基底上形成双金属Ag和Au纳米颗粒阵列；或者将基底浸入含有Ag和Au纳米颗粒的PEG-200胶体中，采用提拉法取出基底，在真空条件下热解除去PEG-200胶体溶剂，在基底上形成双金属Ag和Au纳米颗粒阵列。
其中：
步骤1中衬底的材料为晶向为[100]的NaCl单晶，衬底大小为10×10mm2。
步骤1中得到的Ag和Au的粒径为50-120nm。
步骤1中热退火是指在200-500℃保温30min-2h。
步骤3中的分子量为200的聚乙二醇胶体是将分子量为200的聚乙二醇粉体溶解于乙醇中制备而得，其中分子量为200的聚乙二醇粉体与乙醇的重量体积比为1:4g/ml。
步骤4中旋涂的速度为1000-4000r/min，旋涂时间为10-60s。对最终产品的品质而言，旋涂转速的选择至关重要，转速高则使纳米颗粒表面覆盖率低，反之则导致表面覆盖率过高。
步骤4中提拉的速率为0.6-16mm/min。
步骤4中热解的温度为400-500℃。
步骤4中得到的双金属Ag和Au纳米颗粒阵列的表面覆盖率为20％-40％。
步骤4中通过选择不同的基底，将Ag和Au纳米颗粒阵制备于薄膜太阳电池表面、薄膜太阳电池的减反射膜与发射区之间或太阳电池的基区与太阳电池的衬底之间。
本发明的有益效果如下：
本发明中采用磁控溅射结合快速热处理方法制备得到双金属纳米颗粒陷光结构。一方面，磁控溅射法制备纳米颗粒有如下优点：(1)可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属只要做成靶材就能实现溅射；(2)可制备多组分化合的纳米颗粒；(3)溅射工艺制备纳米材料的重复性好，易控制，且制备的纳米颗粒粒径较大。而本发明通过将磁控溅射结合热退火的方法，制备的纳米颗粒重复性更好、成本低且与现有太阳电池技术兼容性好，而且制备的纳米颗粒粒径较大，陷光性能好。通过本发明的制备方法，最终可以得到表面覆盖率为20％-40％的双金属纳米颗粒阵列，纳米颗粒消光呈现出双消光峰位，消光峰在300-700nm范围可调，通过展宽消光谱的半高宽，调节纳米颗粒的光学性能，常常作为陷光结构来完善太阳电池器件结构。
附图说明
图1为单金属Ag纳米颗粒的扫描电子显微镜照片。
图2为单金属Au纳米颗粒的扫描电子显微镜照片。
图3为双金属Ag和Au纳米颗粒阵列的消光谱图。
具体实施方式
以下将结合具体实例及Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构促进太阳电池光吸收的消光谱图，对本发明所涉及的结构特征和制备过程进行详细的说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明所提供的薄膜太阳电池Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构制备方法的具体制备步骤为：
步骤1：选择NaCl晶片作为衬底材料，优选采用晶向为[100]的NaCl单晶，衬底大小为10×10mm2。采用磁控溅射法分别在两片衬底材料上分别制备单金属Ag和单金属Au的薄膜，然后利用金属薄膜和衬底之间的应力作用，对其进行热处理后在衬底上形成Ag和Au金属纳米颗粒，热退火的温度优选为200-500℃，退火时间为30min～2h，此时该金属纳米颗粒为无序的，粒径分布范围较宽，具体的粒径分布范围为50-120nm。
步骤2：将步骤1制备得到的样品浸入去离子水中，将NaCl衬底材料溶解，离心，分别得到Ag和Au纳米颗粒。
步骤3：将分离后的Ag和Au纳米颗粒同时置于PEG-200胶体中，一般选用磁力搅拌器进行搅拌，使其均匀混合。然后将含有Ag和Au纳米颗粒的PEG胶体旋涂在基底上，优选的旋涂速度为1000-4000r/min，旋涂时间为10～60s。在真空条件下热解除去PEG胶体溶剂，得到双金属Ag和Au纳米颗粒阵列。另外，还可以将基底浸入含有Ag和Au纳米颗粒的PEG胶体中，采用提拉法取出基底，优选的提拉速率为0.6～16mm/min。在真空条件下于热解除去PEG胶体溶剂，得到双金属Ag和Au纳米颗粒阵列。上述真空条件下热解的温度一般控制在400-500℃。
通过选择不同的基底，可以将Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构最终制备在薄膜太阳电池表面、薄膜太阳电池的减反射膜与发射区之间或太阳电池的基区与衬底之间。此时，纳米颗粒阵列的Ag和Au纳米颗粒有序排布，表面覆盖率为20％-40％。这种纳米颗粒消光呈现出双消光峰位，展宽消光谱的半高宽，调节纳米颗粒的光学性能，完善太阳电池器件结构。
下述实施例采用最优选的实现方式，选用下述设备和材料：
(1)主要设备：磁控溅射系统、快速热退火炉、匀胶机，浸润-提拉装置。
(2)Ag和Au材料的源的纯度应大于5N，即纯度大于99.999％。
(3)温度控制精度应小于1K。
实施例1
步骤1：选择晶向为[100]的单晶NaCl作为衬底材料，衬底大小为10×10mm2；在衬底材料上采用磁控溅射法室温下制备7nm后的Ag纳米颗粒，如图1所示，Ag纳米颗粒的粒径为50-120nm；
同样，在衬底材料上采用磁控溅射法室温下制备7nm后的Au纳米颗粒，如图2所示，Au纳米颗粒粒径为50-120nm；
步骤2：将已制备得到的Ag纳米颗粒的衬底材料和Au纳米颗粒的衬底材料浸入去离子水中，溶解沉底材料，离心后得到Ag纳米颗粒和Au纳米颗粒；
步骤3：将2gPEG-200粉体溶于8mL乙醇中，搅匀，形成溶胶；而后将Ag纳米颗粒和Au纳米颗粒同时置于2mlPEG-200胶体中，用磁力搅拌器把含有Ag和Au纳米颗粒的PEG-200胶体搅拌均匀；
步骤4：将含有Ag和Au纳米颗粒的PEG-200胶体旋涂在薄膜太阳电池表面上，旋转的速率为2000r/min。而后在400℃的温度下使PEG-200胶体溶剂热解，即可得到有序排列的双金属Ag和Au纳米颗粒陷光结构，Ag和Au纳米颗粒阵列的表面覆盖率约为20％。
最终制备的双金属纳米颗粒陷光结构，可以在不降低消光峰峰强的条件下展宽消光峰的半高宽，如图3所示，其拓宽了消光谱域，消光峰在300-700nm范围可调，实现了太阳电池的广谱吸收。
实施例2
含有Ag和Au纳米颗粒的PEG胶体的制备方法同实施例1，然后将基底浸入含有Ag和Au纳米颗粒的PEG胶体中，以0.6-16mm/min的速率将基底提拉取出，然后在500℃的温度下使PEG-200胶体溶剂热解，最终得到双金属Ag和Au纳米颗粒陷光结构，其Ag和Au纳米颗粒的表面覆盖率约为20％，可以位于薄膜太阳电池表面、薄膜太阳电池的减反射膜与发射区之间或太阳电池的基区与衬底之间。
Claims (10)
1.一种Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：采用磁控溅射法在两片NaCl单晶衬底上分别制备Ag和Au的薄膜，热退火处理后在衬底上形成Ag和Au的纳米颗粒；
步骤2：将步骤1得到的样品浸入去离子水中，将衬底溶解，离心后分别得到Ag和Au的纳米颗粒；
步骤3：将步骤2得到的Ag和Au的纳米颗粒共同置于PEG-200胶体中，搅拌均匀；
步骤4：将含有Ag和Au纳米颗粒的PEG-200胶体旋涂在基底上，在真空条件下热解除去PEG-200胶体溶剂，在基底上形成双金属Ag和Au纳米颗粒阵列；或者将基底浸入含有Ag和Au纳米颗粒的PEG-200胶体中，采用提拉法取出基底，在真空条件下热解除去PEG-200胶体溶剂，在基底上形成双金属Ag和Au纳米颗粒阵列。
2.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤1中所述衬底的材料为晶向为[100]的NaCl单晶，衬底大小为10×10mm2。
3.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤1中所述Ag和Au的纳米颗粒的粒径为50-120nm。
4.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤1中所述热退火是指在200-500℃保温30min-2h。
5.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤3中所述PEG-200胶体是将PEG-200粉体溶解于乙醇中制备而得，其中PEG-200粉体与乙醇的重量体积比为1:4g/ml。
6.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤4中所述旋涂的速度为1000-4000r/min，旋涂时间为10-60s。
7.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤4中所述提拉的速率为0.6-16mm/min。
8.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤4中所述热解的温度为400-500℃。
9.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤4中所述双金属Ag和Au纳米颗粒阵列的表面覆盖率为20％-40％。
10.根据权利要求1所述的Ag和Au双金属纳米颗粒陷光结构的制备方法，其特征在于，步骤4中通过选择不同的基底，将Ag和Au纳米颗粒阵制备于薄膜太阳电池表面、薄膜太阳电池的减反射膜与发射区之间或太阳电池的基区与太阳电池的衬底之间。
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