CN104143588B - 一种太阳能电池用n型硅片的表面钝化方法及其产品和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池用N型硅片的表面钝化方法，包括以下步骤：首先对N型硅片表面进行亲水处理，再通过旋涂或层层自组装的方法在亲水处理后的N型硅片表面制备厚度可控的超薄氧化石墨烯薄膜，最后经热处理得到钝化后的硅片。本发明还公开了制备得到的钝化后的硅片在太阳能电池，尤其是在硅-石墨烯原型电池中的应用。本发明提供了一种太阳能电池用N型硅片的表面钝化方法，通过溶液法在硅片表面形成氧化石墨烯超薄(<3nm)钝化薄膜，该薄膜可以较好地钝化硅的表面，并且允许载流子自由遂穿，将其应用在硅-石墨烯原型电池上，可以明显提高电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别涉及一种太阳能电池用N型硅片的表面钝化方法及其产品和应用。
背景技术
硅太阳电池是可将太阳能转化为电能的器件，其工作原理是光生电子、空穴在电池内建电场作用下分离而产生电流。然而，被分离的电子，空穴在到达电极前，仍有一定的几率发生复合导致电流损失，降低太阳能电池的效率。硅太阳电池结构中，最易引起电子、空穴复合的是硅的表面，要获得较高的电池效率，硅表面的钝化至关重要。
表面钝化有化学钝化和场钝化两种方式，化学钝化通过减少半导体表面处的悬挂键，减少表面的复合中心来降低载流子在表面的复合，场钝化则通过使表面处的某一种载流子浓度减少来降低载流子在表面的复合。
目前，常用介电薄膜(如SiO2、SiNx、Al2O3)等来钝化硅的表面，这些介电薄膜一般兼具化学钝化和场钝化的功能(因其与硅接触的界面处带有固定电荷)。例如，公开号为CN102569531A的中国专利文献中公开了一种Al2O3介电薄膜钝化多晶硅片的方法：a、将多晶硅片背面抛光；b、将多晶硅片背面用化学试剂清洗后，淋干水滴；c、低温处理，在80-90℃下将硅片烘干，烘干时间为1h；d、使用PECVD法对多晶硅片进行等离子体Al2O3薄膜的沉积，沉积的Al2O3薄膜厚度约后在硅片表面形成厚度小于2nm的SiO2薄膜层；e、热处理，将沉积后的多晶硅片在400℃下进行退火处理；f、测试，对多晶硅片进行稳定状态下的少子寿命测试。
此类介电薄膜钝化层一般使用物理法形成，需要使用特定的真空设备且工艺比较复杂。更重要的是，形成的介电薄膜厚度一般在几十到上百纳米，否则其钝化效果会急剧下降。此类较厚的钝化层不适用于基于隧穿结的太阳电池，如商业化的HIT电池和研发领域的肖特基结电池(如硅-石墨烯原型电池)。对此类新型的隧穿结太阳电池，成膜工艺简单的超薄钝化膜(<3nm)具有重要的意义。
发明内容
本发明提供了一种太阳能电池用N型硅片的表面钝化方法，通过溶液法在硅片表面形成氧化石墨烯的钝化薄膜，所述薄膜可以较好地钝化硅的表面，并且允许载流子自由隧穿，将其应用在硅-石墨烯原型电池上，可以明显提高电池的效率。
本发明公开了一种太阳能电池用N型硅片的表面钝化方法，包括以下步骤：
(1)N型硅片表面的亲水处理；
(2)通过旋涂或层层自组装的方法在亲水处理后的N型硅片表面制备氧化石墨烯薄膜，再经热处理得到钝化后的N型硅片。
步骤(1)中，N型硅片在经亲水处理前，先进行化学清洗处理。
所述的硅片表面的亲水处理可以采用以下方法中的任意一种：
a、在RCA1溶液(NH4OH、H2O2和去离子水混合液，体积比为1:1～2:5～7)中浸泡5～15min；
b、在RCA2溶液(HCl、H2O2和去离子水混合液，体积比为1:1～2:6～8)中浸泡5～15min；
c、在30wt％的H2O2溶液中浸泡5～15min；
d、在H2SO4和H2O2混合液(体积比为1～5:1)中浸泡1～5min；
e、在10wt％的稀硝酸溶液中浸泡2～5min；
f、在68wt％的浓硝酸溶液中浸泡1～3min。
作为优选，步骤(2)所述的旋涂方法，具体步骤为：
a、配制0.005～0.1mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散介质为去离子水、乙醇、异丙醇中的至少一种；
b、将步骤a制备的氧化石墨烯分散液滴在亲水处理后的N型硅片表面，铺展后，在N型硅片表面旋涂形成氧化石墨烯薄膜，旋涂转速为500～3000rpm，时间为30～60s，氧化石墨烯薄膜的厚度可通过旋涂的次数控制。
通过控制旋涂的次数可以精确的调控N型硅片表面形成氧化石墨烯薄膜的厚度。
作为优选，步骤(2)所述的层层自组装的方法，具体步骤为：
a、配制2wt％的聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐溶液A，加入NaOH溶液或氨水调节pH值为8～10；
b、配制0.1～1mg/ml的氧化石墨烯分散液B，分散介质为去离子水，加入NaOH溶液或氨水调节pH值为8～10；
c、将表面经过亲水处理的N型硅片浸入到溶液A中10～30min，在N型硅片表面自组装一层带正电荷的聚二烯丙基二甲基胺单分子层；
d、用去离子水洗净硅片表面后，再将N型硅片浸入分散液B中10～30min，在N型硅片表面自组装一层带负电荷的氧化石墨烯单分子层；
e、重复在溶液A和分散液B中的浸渍过程，N型硅片表面形成厚度可控的氧化石墨烯薄膜。
通过调控N型硅片在溶液A和分散液B中浸渍的次数，可以精确的调控硅片表面形成氧化石墨烯薄膜的厚度。
作为优选，所述的热处理气氛为空气、O2、N2或H2/Ar混合气，热处温度为200～500℃，时间为0.5～2h。
本发明还公开了所述的钝化后的硅片在太阳能电池中的应用，优选为在硅-石墨烯原型电池中的应用。
作为优选，所述硅-石墨烯原型电池的结构依次为背面铝电极、沉积有氧化石墨烯钝化层的N型硅片衬底、单层石墨烯层和正面银电极。所述氧化石墨烯钝化层的厚度小于3nm。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
用简单的溶液旋涂或自组装方法，可形成厚度可控的超薄氧化石墨烯薄膜，所述的氧化石墨烯薄膜可有效地钝化硅表面，同时允许载流子自由隧穿；将沉积有氧化石墨烯薄膜的N型硅片应用在硅-石墨烯原型电池上，可以明显提高电池的效率。
附图说明
图1是实施例1制备的Si表面氧化石墨烯薄膜的AFM图像；
图2是实施例2制备的Si表面氧化石墨烯薄膜的AFM图像；
图3是实施例1制备的氧化石墨烯薄膜钝化前后硅片的少数载流子寿命
面扫描图及数值统计分布图；
图4是以实施例2中制备的氧化石墨烯薄膜钝化前后的硅片组装的硅-石
墨烯原型太阳电池的电流密度-电压曲线；
图5是以实施例2中制备的氧化石墨烯薄膜钝化前后的硅片组装的硅-石
墨烯原型太阳电池的外量子效率曲线。
具体实施方式
实施例1
a、经化学清洗的N型硅片在H2SO4和H2O2混合液(体积比为1：4)中浸泡2min，使硅表面形成一层极薄的氧化硅而使其亲水，此为氧化石墨烯薄膜钝化前的硅片；
b、配制0.01mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散介质为乙醇；
c、将氧化石墨烯分散液滴在亲水处理后的硅片表面，铺展后，在硅片表面旋涂形成氧化石墨烯薄膜，旋涂转速为1000rpm，时间为30s；
d、将硅片在N2氛围中，400℃热处理1h。
图1为本实施例制备的钝化硅片表面氧化石墨烯薄膜的AFM图像，从图中可知，氧化石墨烯薄膜的厚度约为0.8nm。
图3为本实施例制备的钝化前、后硅片的少数载流子寿命面扫描图及数值统计分布图，从图中可知，硅片的有效少子寿命从钝化前的12μs提高到钝化后的33μs，对应的表面复合速度从钝化前的1667cm/s降低到钝化后的600cm/s。
实施例2
a、经化学清洗的N型硅片在H2SO4和H2O2混合液(体积比为1：4)中浸泡2min，使硅表面形成一层极薄的氧化硅而使其亲水，此为氧化石墨烯薄膜钝化前的硅片；
b、配制1wt％的聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐溶液(A)，加入NaOH溶液或氨水调节pH值为10；
c、配制1mg/ml的氧化石墨烯分散液(B)，分散介质为去离子水，加入NaOH溶液或氨水调节pH值为10；
d、将表面经过亲水处理的硅片浸入到溶液A中30min，在硅片表面自组装一层带正电荷的聚二烯丙基二甲基胺单分子层；
e、用去离子水洗净硅片表面后，再将硅片浸入溶液B中30min，在硅片表面自组装一层带负电荷的氧化石墨烯单分子层；
f、重复在溶液A、B中的浸渍过程3次，在硅片表面形成氧化石墨烯薄膜。
g、将硅片在H2/Ar混合气氛围中，400℃热处理1h。
图2为本实施例制备的钝化硅片表面氧化石墨烯薄膜的AFM图像，从图中可知，氧化石墨烯薄膜的厚度约为2.4nm。
应用例
以实施例2中制备的氧化石墨烯薄膜钝化前、后的硅片来组装硅-石墨烯原型太阳电池，步骤为：在氧化石墨烯薄膜钝化前、后的300μm厚N型硅片表面转移一片6mm×6mm的单层石墨烯；在硅片背面热蒸发200nm的铝形成背面电极，在石墨烯上热蒸发200nm的银作为正面电极，分别得到氧化石墨烯薄膜钝化前、后的硅片组装的硅-石墨烯原型太阳电池。
图4为以实施例2中制备的钝化前、后的硅片组装硅-石墨烯原型太阳电池的电流密度-电压曲线，从图4可知，用氧化石墨烯薄膜钝化的硅片为基底组装的硅-石墨烯电池的短路电流，开路电压和填充因子和用未钝化的硅片为基底组装的电池相比，都有大幅提升，使电池效率从1.8％提高到6.2％。
图5为以实施例2中制备的钝化前、后的硅片组装硅-石墨烯原型太阳电池的外量子效率曲线，从图5可知，氧化石墨烯钝化后，太阳电池的外量子效率明显提高，进一步证实了氧化石墨烯薄膜的钝化效应。
Claims (6)
1.一种太阳能电池用N型硅片的表面钝化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)N型硅片表面亲水处理；
(2)通过旋涂或层层自组装的方法在亲水处理后的N型硅片表面制备氧化石墨烯薄膜，再经热处理得到钝化后的N型硅片；
所述的旋涂方法，具体步骤为：
a、配制0.005～0.1mg/ml的氧化石墨烯分散液，分散介质为去离子水、乙醇、异丙醇中的至少一种；
b、将步骤a制备的氧化石墨烯分散液滴在亲水处理后的N型硅片表面，铺展后，在N型硅片表面旋涂形成氧化石墨烯薄膜，旋涂转速为500～3000rpm，时间为30～60s，氧化石墨烯薄膜的厚度可通过旋涂的次数实现控制；
所述的层层自组装方法，具体步骤为：
a、配制0.1～2wt％的聚二烯丙基二甲基胺盐酸盐溶液A，加入NaOH溶液或氨水调节pH值为8～10；
b、配制0.1～1mg/ml的氧化石墨烯分散液B，分散介质为去离子水，加入NaOH溶液或氨水调节pH值为8～10；
c、将表面经过亲水处理的N型硅片浸入到溶液A中10～30min，在N型硅片表面自组装一层带正电荷的聚二烯丙基二甲基胺单分子层；
d、用去离子水洗净硅片表面后，再将N型硅片浸入分散液B中10～30min，在N型硅片表面自组装一层带负电荷的氧化石墨烯单分子层；
e、重复在溶液A和分散液B中的浸渍过程，N型硅片表面形成厚度可控的氧化石墨烯薄膜。
2.根据权利要求1所述的钝化方法，其特征在于，所述的热处理气氛为空气、O2、N2或H2/Ar混合气，热处理温度为200～500℃，热处理时间为0.5～2h。
3.一种根据权利要求1所述的表面钝化方法制备得到钝化后的N型硅片。
4.一种根据权利要求3所述的表面钝化后的N型硅片在太阳能电池中的应用。
5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于，所述的太阳能电池为硅-石墨烯原型电池。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，所述硅-石墨烯原型电池的结构依次为背面铝电极、沉积有氧化石墨烯钝化层的N型硅片衬底、单层石墨烯层和正面银电极。
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