CN106876592B - 多彩太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

多彩太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多彩太阳能电池及其制备方法。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，硅纳米线的直径为50‑120nm、周期为500‑1500nm，表面覆有厚1‑200nm的介质层；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后，使用湿法工艺或反应离子刻蚀的博世工艺于其上刻蚀出有序纳米线阵列，再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，之后，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使用化学气相沉积法或电子束蒸发法或原子层沉积技术或旋涂法制作介质层后，于其上制作电极，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

多彩太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及制备方法，尤其是一种多彩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(介质层)；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，制备方法也不能降低制造的成本。
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、实用的多彩太阳能电池。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种上述多彩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：多彩太阳能电池包括硅衬底和其上的介质层，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50-120nm、线周期为500-1500nm；
所述介质层覆于硅纳米线上，其为厚1-200nm的氧化硅层，或氟化镁层，或氧化锆层，或氧化铝层，或聚-3己基噻吩有机半导体层。
作为多彩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：上述多彩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使用化学气相沉积法或电子束蒸发法或原子层沉积技术或旋涂法制作介质层，得到中间产物；
步骤3，于中间产物上制作电极，制得多彩太阳能电池。
作为多彩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。
优选地，硅衬底的清洗为采用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。
优选地，使用化学气相沉积法制作氧化硅介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为20-30sccm、氧气流量为5-15sccm的混合气氛中，于200-500℃下10-50min，得到表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有氧化硅层。
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分别使用扫描电镜和透射电镜进行表征，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50-120nm、线周期为500-1500nm，硅纳米线上覆有厚1-200nm的氧化硅层，或氟化镁层，或氧化锆层，或氧化铝层，或聚-3己基噻吩有机半导体层构成的介质层。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结的硅纳米线的表面包覆有介质层的有序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；又因有序硅纳米线阵列的表面包覆着的介质层，而使共振吸收峰的位置发生了偏移，从而产生出了各种颜色，即当介质层的厚度分别为1-10nm、20-30nm、40-50nm、55-65nm和70-100nm时，目的产物的颜色分别对应为粉红色、金黄色、褚红色、青紫色和青色；进而使目的产物具有了色彩可变的光电转换功能。
二，制备方法简单、科学、有效。不仅制得了结构合理、实用的目的产物——多彩太阳能电池，还使其具有了制造成本低的特点；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。
图2是对制备方法制得的目的产物中的单根纳米线使用透射电镜(TEM)进行表征的结果之一。TEM图像显示出组成有序硅纳米线阵列的硅纳米线的表面覆有介质层。
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50nm，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使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层；其中，使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为20sccm、氧气流量为15sccm的混合气氛中，于200℃下50min，得到中间产物——其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有厚1-10nm的氧化硅层的硅衬底。
步骤3，于中间产物上制作电极，制得近似于图1和图2所示的颜色为粉红色的多彩太阳能电池。
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68nm，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使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层；其中，使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为23sccm、氧气流量为13sccm的混合气氛中，于275℃下40min，得到中间产物——其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有厚20-30nm的氧化硅层的硅衬底。
步骤3，于中间产物上制作电极，制得近似于图1和图2所示的颜色为金黄色的多彩太阳能电池。
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85nm，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使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层；其中，使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为25sccm、氧气流量为10sccm的混合气氛中，于350℃下30min，得到中间产物——其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有厚40-50nm的氧化硅层的硅衬底。
步骤3，于中间产物上制作电极，制得如图1和图2所示的颜色为褚红色的多彩太阳能电池。
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103nm，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使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层；其中，使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为28sccm、氧气流量为8sccm的混合气氛中，于425℃下20min，得到中间产物——其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有厚55-65nm的氧化硅层的硅衬底。
步骤3，于中间产物上制作电极，制得近似于图1和图2所示的颜色为青紫色的多彩太阳能电池。
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120nm，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使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层；其中，使用化学气相沉积法制作由氧化硅层组成的介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为30sccm、氧气流量为5sccm的混合气氛中，于500℃下10min，得到中间产物——其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有厚70-100nm的氧化硅层的硅衬底。
步骤3，于中间产物上制作电极，制得近似于图1和图2所示的颜色为青色的多彩太阳能电池。
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使用化学气相沉积法或电子束蒸发法或原子层沉积技术或旋涂法制作由氧化硅层或氟化镁层或氧化锆层或氧化铝层或聚-3己基噻吩有机半导体层构成的介质层，于得到的其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有介质层的硅衬底上制作电极，同样制得了如或近似于图1和图2所示的多彩太阳能电池。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的多彩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 (10)

1.一种多彩太阳能电池，包括硅衬底和其上的介质层，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50-120nm、线周期为500-1500nm；
所述介质层覆于硅纳米线上，其为厚1-200nm的氧化硅层，或氟化镁层，或氧化锆层，或氧化铝层，或聚-3己基噻吩有机半导体层。
2.根据权利要求1所述的多彩太阳能电池，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所述的多彩太阳能电池，其特征是硅纳米线的线长为500-3000nm。
4.根据权利要求1所述的多彩太阳能电池，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所述多彩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使用化学气相沉积法或电子束蒸发法或原子层沉积技术或旋涂法制作介质层，得到中间产物；
步骤3，于中间产物上制作电极，制得多彩太阳能电池。
6.根据权利要求5所述的多彩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。
7.根据权利要求5所述的多彩太阳能电池的制备方法，其特征是硅衬底的清洗为采用RCA标准清洗。
8.根据权利要求5所述的多彩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。
9.根据权利要求8所述的多彩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。
10.根据权利要求9所述的多彩太阳能电池的制备方法，其特征是使用化学气相沉积法制作氧化硅介质层的过程为，将其上置有表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的硅衬底置于硅烷流量为20-30sccm、氧气流量为5-15sccm的混合气氛中，于200-500℃下10-50min，得到表面形成PN结的有序硅纳米线阵列的表面包覆有氧化硅层。
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