CN104600196B - 一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法及其产品 - Google Patents

一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法及其产品 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，以氧化铝为模板，结合金属辅助化学蚀刻法制备硅纳米线，800～1000℃下，经热氧化处理60～800min，在硅纳米线表面生成氧化硅，再浸泡氢氟酸溶液至氧化硅去除完全；将处理后的硅纳米线浸泡在四甲基氢氧化铵水溶液中，取出后，在表面旋涂导电有机物，再经热处理得到成结硅纳米线；再分别在成结硅纳米线正面和背面沉积银、铝作为电极，得到所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。本发明提供了一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，制备得到排列有序且直径可控的硅纳米线，进而制备电池效率显著提高的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。

Description

一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法及其产品
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，尤其涉及一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法及其产品。
背景技术
当今世界煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源危机制约了经济发展，同时常规能源导致的全球气候反常和日益恶化的环境问题，也备受关注。越来越多的国家将目光投向可再生能源，其中太阳能资源的开发，便成了世界性的大趋势。太阳能电池具有永久性、清洁性和灵活性的三大优点。在太阳能电池产业中，以晶体硅为原料的太阳能电池占了80％以上，但与常规能源相比，占据的总的市场份额依然很小。这主要是因为成本问题限制了该产业的发展。硅太阳能成本一半源于硅材料本身及加工工艺。
硅纳米线在降低硅材料的使用量上具有非常大的优势，硅纳米线与体型硅相比，可以增加光路长度5～203倍，有效降低反射率，从而可以作为光捕获层[Shen,X.,et al.,Hybrid Heterojunction Solar Cell Based on Organic–Inorganic Silicon NanowireArray Architecture.Journal of the American Chemical Society,2011.133(48):p.19408-19415]，这可以大大减少硅的使用量，从而降低成本。
导电有机物与硅纳米线复合形成杂化太阳能电池，结合了有机物柔性高、制备简单和硅纳米线良好的光电性能、较低的反射率的优势，在科学界引发了新一轮研究热潮。传统方法制备的硅纳米线虽然能够有效降低反射率，但由于表面积大，存在着严重的载流子复合问题，降低了硅纳米线的少子寿命，从而影响电池效率[Zhang,J.；Zhang,Y.；Zhang,F.；Sun,B.Electrical characterization of inorganic-organic hybrid photovoltaicdevices based on silicon-poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate).Appl.Phys.Lett.2013,102,013501.]。同时传统方法制备的硅纳米线杂乱无序，无法有效控制纳米线直径，无法控制硅纳米线的少子寿命。基于以上劣势，传统方法制备的导电有机物/硅纳米线太阳能电池效率一般都不超过11％[He,L.；Rusli；Jiang,C.；Wang,H.；Lai,D.Simple Approach of Fabricating High Efficiency SiNanowire/Conductive Polymer Hybrid Solar Cells.IEEE Electron DeviceLett.2011,32,1406-1408.]。
发明内容
本发明提供了一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，制备得到排列有序且直径可控的硅纳米线，进而制备电池效率显著提高的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
a)以氧化铝为模板，结合金属辅助化学蚀刻法制备硅纳米线，800～1000℃下，经热氧化处理60～800min，在硅纳米线表面生成氧化硅，再浸泡氢氟酸溶液至氧化硅去除完全；
b)将步骤a)处理后的硅纳米线浸泡在四甲基氢氧化铵水溶液中，取出后，在表面旋涂导电有机物，再经热处理得到成结硅纳米线；
c)分别在步骤b)得到的成结硅纳米线的正面和背面沉积银、铝作为电极，得到所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
作为优选，步骤a)中，所述硅纳米线的具体制备过程为：
在氧化铝模板上溅射金，再将金膜转移到硅片上，置于氢氟酸与双氧水的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线。
步骤a)中，所述的热氧化在氧气氛围中进行，作为优选，所述的热氧化温度为900～950℃，时间为550～650min。进一步优选为900℃下热氧化600min。
作为优选，步骤a)中，所述氢氟酸溶液的质量百分比浓度为2～40％。
经过热氧化处理并结合氢氟酸浸泡，可以实现对硅纳米线直径的精确调控，选择反射率以及少子寿命两者结合最佳的条件，用于后续杂化太阳能电池的制备，提高电池效率。
作为优选，步骤b)中，所述四甲基氢氧化铵水溶液的质量百分比浓度为0.5～2％，浸泡温度为10～50℃，时间为50～150s。进一步优选，所述四甲基氢氧化铵水溶液的质量百分比浓度为1％，浸泡时间为室温，时间为90s。经四甲基氢氧化铵水溶液浸泡后，进一步对硅纳米线的表面形貌进行控制，有利于导电有机物进入到硅纳米线底部，与硅纳米线成结，从而有利于电池的制备。
作为优选，步骤b)中，所述导电有机物为聚-3己基噻吩；
或者为掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS(聚3,4-乙撑二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐)，二甲基亚砜的掺杂量为5～15wt％，聚乙二醇辛基苯基醚的掺杂量为1wt％。
所述掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS的制备方法为：将PEDOT:PSS与二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚混合后，搅拌均匀即可。
进一步优选，所述导电有机物为掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，二甲基亚砜、PEDOT:PSS和聚乙二醇辛基苯基醚的质量比为5:94:1。
作为优选，步骤b)中，所述导电有机物的旋涂速度为1000～5000r/min。
作为优选，步骤b)中，所述热处理温度为100～150℃，热处理时间为5～20min。
根据上述的理由，再优选：
步骤a)中，所述的热氧化条件为：900℃下热氧化600min；
步骤b)中，所述的导电有机物为掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，二甲基亚砜、PEDOT:PSS和聚乙二醇辛基苯基醚的质量比为5:94:1。
以该优选质量比的导电有机物旋涂在经上述特定热氧化条件下处理得到的特殊直径的硅纳米线上，制备得到的太阳能电池具备最高的电池效率。
本发明还公开了根据上述的制备方法得到的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
采用本发明的方法制备得到的硅纳米线排列有序，有利于热氧化过程；通过热氧化及HF浸泡可以实现硅纳米线的直径可控，通过调控硅纳米线的直径，进一步调节反射率和少子寿命两个参数，选择反射率以及少子寿命两者结合最佳时的特定直径范围的硅纳米线，用于后续电池的制备。
采用本发明的方法制备得到的导电有机物/硅纳米线太阳能电池，最高电池效率可达13.1％，比传统方法制备得到的导电有机物/硅纳米线太阳能电池效率高。
附图说明：
图1为实施例2中制备的硅纳米线的扫描电镜图；
图2为实施例2中制备的处理后的硅纳米线的扫描电镜图；
图3为实施例2中制备的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的电流电压曲线。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
在氧化铝模板上溅射金90s，再将金膜转移到硅片上，置于氢氟酸(质量百分比为40％)与双氧水(质量百分比为30％)的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线。氧气氛围下，1000℃下，经热氧化360min，在硅纳米线表面生成氧化硅，再浸泡质量分数为30％的氢氟酸溶液至氧化硅去除完全，得到处理后的硅纳米线，其根部的直径为90～100nm。将处理后的硅纳米线浸泡在质量分数为0.5％的四甲基氢氧化铵的水溶液中60s；在表面旋涂掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，二甲基亚砜、PEDOT:PSS与聚乙二醇辛基苯基醚的质量比为7:92:1，旋涂速度为2000r/min，在100℃下进行热处理，热处理时间为5min；在成结硅纳米线的正面和背面分别热蒸发银、铝作为电极，得到导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
本实施例中制备得到的处理后的硅纳米线的少子寿命以及最终产品导电有机物/硅纳米线太阳能电池的各项性能指标详见表1。
实施例2
在氧化铝模板上溅射金90s，再将金膜转移到硅片上，置于氢氟酸(质量百分比为40％)与双氧水(质量百分比为30％)的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线。氧气氛围下，900℃下，经热氧化处理600min，在硅纳米线表面生成氧化硅，再浸泡质量分数为5％的氢氟酸溶液至氧化硅去除完全，得到处理后的硅纳米线，其根部的直径为65～75nm。将处理后的硅纳米线浸泡在质量分数为1％的四甲基氢氧化铵的水溶液中90s；在硅纳米线上旋涂掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，二甲基亚砜、PEDOT:PSS与聚乙二醇辛基苯基醚的质量比为5:94:1，旋涂速度为3000r/min，并进行热处理，热处理温度为125℃，热处理时间为7min；在成结的硅纳米线的正面和背面分别热蒸发银、铝作为电极，得到导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
本实施例中制备得到的处理后的硅纳米线的少子寿命以及最终产品导电有机物/硅纳米线太阳能电池的各项性能指标详见表1。
实施例3
在氧化铝模板上溅射金90s，再将金膜转移到硅片上，置于氢氟酸(质量百分比为40％)与双氧水(质量百分比为30％)的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线。氧气氛围下，800℃下，经热氧化700min，在硅纳米线表面生成氧化硅，再浸泡质量分数为30％的氢氟酸溶液至氧化硅去除完全，得到处理后的硅纳米线，其根部的直径为35～40nm。将处理后的硅纳米线浸泡在质量分数为1.5％的四甲基氢氧化铵的水溶液中120s；在硅纳米线上旋涂掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，二甲基亚砜、PEDOT:PSS与聚乙二醇辛基苯基醚的质量比为9:90:1，旋涂速度为5000r/min，并进行热处理，热处理温度为150℃，热处理时间为10min；在成结的硅纳米线的正面和背面分别热蒸发银、铝作为电极，得到导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
本实施例中制备得到的处理后的硅纳米线的少子寿命以及最终产品导电有机物/硅纳米线太阳能电池的各项性能指标详见表1。
表1
实施例1制备的纳米线，直径为90～100nm，反射率属于三个实施例中最低的，低于8％，所以短路电流密度最大，为31.1mA/cm2；但由于表面积大，少子寿命低，只有4.2μs，导致最终电池效率为12.0％，低于实施例2。
实施例3中制备得到的硅纳米线，直径为35～40nm，反射率在三个实施例中是最高的，导致短路电流密度为28.9mA/cm2，为三个实施例中最小的；但同时表面积小，少子寿命高，为5.6μs，高于其他两个实施例，制备得到的电池效率为11.3％。
实施例2中制备得到的硅纳米线，直径为65～75nm，反射率高于实施例1中的硅纳米线，低于实施例3中的硅纳米线，短路电流密度也介于两者之间，为30.4mA/cm2；同时，硅纳米线的少子寿命为5.1μs，反射率与少子寿命最佳的结合，使得电池效率高达13.1％，高于其他几个条件。此条件为最优选的条件，在该条件下，制备得到的电池，开路电压为0.61V，短路电流密度为30.4mA/cm2，电流电压曲线图如图3所示。
实施例1、实施例2、实施例3三者制备的电池效率均高于传统方式制备的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的电池效率。同时通过调整热氧化的温度时间，使得硅纳米线的直径不同，通过调整硅纳米线的直径，能达到调整孔隙率的目的，从而有效降低反射率的同时，保证硅纳米线的少子寿命。通过两者协调，选择反射率与少子寿命两个参数结合最佳的条件，制备太阳能电池，最终达到电池效率高达13.1％，远高于传统方式制备的电池效率。
以上描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)以氧化铝为模板，结合金属辅助化学蚀刻法制备硅纳米线，900～950℃下，经热氧化处理550～650min，在硅纳米线表面生成氧化硅，再浸泡氢氟酸溶液至氧化硅去除完全；
b)将步骤a)处理后的硅纳米线浸泡在四甲基氢氧化铵水溶液中，取出后，在表面旋涂导电有机物，再经热处理得到成结硅纳米线；
所述四甲基氢氧化铵水溶液的质量百分比浓度为0.5～2％，浸泡温度为10～50℃，时间为50～150s；
c)分别在步骤b)得到的成结硅纳米线的正面和背面沉积银、铝作为电极，得到所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述硅纳米线的具体制备过程为：
在氧化铝模板上溅射金，再将金膜转移到硅片上，置于氢氟酸与双氧水的混合溶液中刻蚀，得到硅纳米线。
3.根据权利要求1所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤a)中，所述氢氟酸溶液的质量百分比浓度为2～40％。
4.根据权利要求1所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述导电有机物为聚-3己基噻吩；
或者为掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，
二甲基亚砜的掺杂量为5～15wt％，聚乙二醇辛基苯基醚的掺杂量为1wt％。
5.根据权利要求4所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述导电有机物为掺杂有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的PEDOT:PSS，二甲基亚砜、PEDOT:PSS和聚乙二醇辛基苯基醚的质量比为5:94:1。
6.根据权利要求1所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述导电有机物的旋涂速度为1000～5000r/min。
7.根据权利要求1所述的导电有机物/硅纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，步骤b)中，所述热处理温度为100～150℃，热处理时间为5～20min。
8.一种根据权利要求1～7任一权利要求所述的制备方法得到的导电有机物/硅纳米线太阳能电池。
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