CN106684175A - 具有色彩调变的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有色彩调变的太阳能电池及其制备方法。太阳能电池为硅衬底上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列，其中，硅纳米线的线直径为90‑150nm、线周期为500‑1500nm；方法为先于硅衬底表面使用纳米球模板法或电子束曝光法或纳米压印技术制作有序掩模，再于表面覆有有序掩模的硅衬底上使用湿法工艺或反应离子刻蚀的博世工艺刻蚀出有序纳米线阵列，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底，之后，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素，再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得目的产物。它可极易于广泛地商业化应用于城市中的光伏发电系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及制备方法，尤其是一种具有色彩调变的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着光伏行业的不断发展，市场对光伏产品提出了更高的要求。将光伏产品集成在建筑屋顶、外墙屋顶、幕墙等处，以便将其与建筑集成一体化是光伏行业发展的主要方向。由于光伏方阵与建筑的结合不占用额外的地面空间，是光伏发电系统在城市中广泛应用的最佳安装方式，因而倍受关注。目前，由于光伏组件一般为蓝色或黑色，当这些光伏组件用于同建筑物一体化时，色彩就显得比较单调，和许多建筑物搭配不相协调，在建筑外观设计中非常单一，影响了建筑物的美感。近期，人们为了使光伏电池组件与建筑结构实现更完美的融合，在改变光伏电池组件的颜色上作了一些有益的尝试和努力，如中国发明专利申请CN 102194918 A于2011年9月21日公布的一种彩色太阳能电池的制备方法。该发明专利申请中提及的彩色太阳能电池为传统的硅电池表面覆有氟化镁和氧化钇组成的彩色复合薄膜；制备方法为选取氟化镁颗粒和氧化钇颗粒作为蒸发源，使用电子束蒸发设备对晶体硅电池片的表面进行蒸发镀膜，从而获得产物。这种产物虽可用作彩色太阳能电池，却和其制备方法都存在着不足之处，首先，产物中的氟化物和氧化钇的价格偏高，使产物的制造成本难以降低，制约了其商业化的应用；其次，制备方法过于繁琐，也进一步地提高了制造的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种结构合理、实用的具有色彩调变的太阳能电池。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述具有色彩调变的太阳能电池的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：具有色彩调变的太阳能电池包括硅衬底，特别是，
所述硅衬底上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列；
所述组成有序硅纳米线阵列的硅纳米线的线直径为90-150nm、线周期为500-1500nm。
作为具有色彩调变的太阳能电池的进一步改进：
优选地，有序硅纳米线阵列中的硅纳米线呈六方分布，或正方分布。
优选地，硅纳米线的线长为500-3000nm。
优选地，硅衬底为单晶硅衬底，或多晶硅衬底。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：上述具有色彩调变的太阳能电池的制备方法包括硅衬底的清洗，特别是主要步骤如下：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法或电子束曝光法或纳米压印技术制作有序掩模，再于表面覆有有序掩模的硅衬底上使用湿法工艺或反应离子刻蚀的博世工艺刻蚀出有序纳米线阵列，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底；
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼(B)元素，再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得具有色彩调变的太阳能电池。
作为具有色彩调变的太阳能电池的制备方法的进一步改进：
优选地，硅衬底为单晶硅衬底，或多晶硅衬底，对其的清洗为采用RCA标准清洗。
优选地，使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，先将单层密排的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到需要的尺寸，再以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚20-30nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。
优选地，使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于15-25vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀8-10min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
相对于现有技术的有益效果是：
其一，对制备方法制得的目的产物使用扫描电镜进行表征，由其结果可知，目的产物为硅衬底上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列；其中，组成有序硅纳米线阵列的硅纳米线的线直径为90-150nm、线周期为500-1500nm。有序硅纳米线阵列中的硅纳米线呈六方分布，或正方分布，硅纳米线的线长为500-3000nm。这种由表面形成PN结的有序硅纳米线阵列组装于硅衬底上的目的产物，既由于表面形成PN结的硅原子的光电转换功能；又因有序纳米线阵列的结构色性能——组成有序纳米线阵列的纳米线的线直径的改变，使光波发生折射、漫反射、衍射或干涉而产生的各种颜色，而使硅纳米线的线直径分别为90-95nm、100-108nm、110-115nm、116-125nm和130-150nm时，目的产物的颜色分别对应为褚红色、西洋红色、金黄色、土黄色和青色；从而使目的产物具有了色彩调变的光电转换功能。
其二，制备方法简单、科学、高效。不仅制得了结构合理、实用的目的产物——具有色彩调变的太阳能电池，还有着工艺简便、制造成本低的特点；进而使目的产物极易于广泛地商业化应用于城市中的光伏发电系统。
附图说明
图1是对制备方法制得的目的产物使用扫描电镜(SEM)进行表征的结果之一。SEM图像表明目的产物的表面为有序硅纳米线阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。
首先从市场购得或自行制得：
作为硅衬底的单晶硅衬底和多晶硅衬底，并对其采用RCA标准清洗；
商业化单分散的直径为500-1500nm的聚苯乙烯胶体纳米球；
氢氟酸水溶液。
接着，
实施例1
制备的具体步骤为：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法制作有序掩模；其中，硅衬底为单晶硅衬底，使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，将单层密排的球直径为500nm的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到90-95nm，接着，以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚20nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。再于表面覆有有序金掩模的硅衬底上使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列；其中，使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于15vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀10min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素。再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得近似于图1所示的颜色为褚红色的具有色彩调变的太阳能电池。
实施例2
制备的具体步骤为：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法制作有序掩模；其中，硅衬底为单晶硅衬底，使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，将单层密排的球直径为750nm的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到100-108nm，接着，以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚23nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。再于表面覆有有序金掩模的硅衬底上使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列；其中，使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于18vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀9.5min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素。再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得近似于图1所示的颜色为西洋红色的具有色彩调变的太阳能电池。
实施例3
制备的具体步骤为：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法制作有序掩模；其中，硅衬底为单晶硅衬底，使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，将单层密排的球直径为1000nm的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到110-115nm，接着，以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚25nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。再于表面覆有有序金掩模的硅衬底上使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列；其中，使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于20vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀9min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素。再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得如图1所示的颜色为金黄色的具有色彩调变的太阳能电池。
实施例4
制备的具体步骤为：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法制作有序掩模；其中，硅衬底为单晶硅衬底，使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，将单层密排的球直径为1250nm的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到116-125nm，接着，以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚28nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。再于表面覆有有序金掩模的硅衬底上使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列；其中，使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于23vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀8.5min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素。再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得近似于图1所示的颜色为土黄色的具有色彩调变的太阳能电池。
实施例5
制备的具体步骤为：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法制作有序掩模；其中，硅衬底为单晶硅衬底，使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，将单层密排的球直径为1500nm的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到130-150nm，接着，以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚30nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。再于表面覆有有序金掩模的硅衬底上使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列；其中，使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于25vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀8min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素。再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得近似于图1所示的颜色为青色的具有色彩调变的太阳能电池。
再分别选用作为硅衬底的单晶硅衬底或多晶硅衬底，以及于硅衬底表面使用纳米球模板法或电子束曝光法或纳米压印技术制作有序掩模，于表面覆有有序掩模的硅衬底上使用湿法工艺或反应离子刻蚀的博世工艺刻蚀出有序纳米线阵列，使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素，于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，同样制得了如或近似于图1所示的具有色彩调变的太阳能电池。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的具有色彩调变的太阳能电池及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (8)
1.一种具有色彩调变的太阳能电池，包括硅衬底，其特征在于：
所述硅衬底上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列；
所述组成有序硅纳米线阵列的硅纳米线的线直径为90-150nm、线周期为500-1500nm。
2.根据权利要求1所述的具有色彩调变的太阳能电池，其特征是有序硅纳米线阵列中的硅纳米线呈六方分布，或正方分布。
3.根据权利要求1所述的具有色彩调变的太阳能电池，其特征是硅纳米线的线长为500-3000nm。
4.根据权利要求1所述的具有色彩调变的太阳能电池，其特征是硅衬底为单晶硅衬底，或多晶硅衬底。
5.一种权利要求1所述具有色彩调变的太阳能电池的制备方法，包括硅衬底的清洗，其特征在于主要步骤如下：
步骤1，先于硅衬底表面使用纳米球模板法或电子束曝光法或纳米压印技术制作有序掩模，再于表面覆有有序掩模的硅衬底上使用湿法工艺或反应离子刻蚀的博世工艺刻蚀出有序纳米线阵列，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底；
步骤2，先使用扩散工艺对其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底进行表面掺杂硼元素，再于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底上制作电极，制得具有色彩调变的太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的具有色彩调变的太阳能电池的制备方法，其特征是硅衬底为单晶硅衬底，或多晶硅衬底，对其的清洗为采用RCA标准清洗。
7.根据权利要求5所述的具有色彩调变的太阳能电池的制备方法，其特征是使用纳米球模板法制作有序掩模的过程为，先将单层密排的聚苯乙烯胶体纳米球转移至硅衬底的表面后，缩小纳米球的直径到需要的尺寸，再以胶体球模板为掩膜，通过电子束蒸发设备于硅衬底的表面蒸发厚20-30nm的金膜，得到表面覆有有序金掩模的硅衬底。
8.根据权利要求7所述的具有色彩调变的太阳能电池的制备方法，其特征是使用湿法工艺刻蚀出有序纳米线阵列的过程为，将表面覆有有序金掩模的硅衬底置于15-25vol％的氢氟酸水溶液中，使用金属辅助化学刻蚀技术刻蚀8-10min，得到其上置有有序硅纳米线阵列的硅衬底。
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