CN106876595A - 一种n型硅异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种n型硅异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种N型硅异质结太阳能电池及其制备方法，用以提高N型硅异质结太阳能电池的光电转换效率。N型硅异质结太阳能电池制作方法包括：N型硅片的清洗，去除氧化硅绝缘层；采用金属离子辅助化学刻蚀法在N型硅片上制备N型硅纳米线阵列；将含有N型硅纳米线阵列的N型硅片进行电镀硫化处理；接着在N型硅纳米线阵列的表面依次旋涂铁电薄膜材料的前驱体溶液、2,2’,7,7’‑四(N,N‑二‑对‑甲氧基苯基‑氨)‑9,9’‑螺二芴溶液、聚乙烯醇溶液、PEDOT:PSS溶液，并分别进行热处理；接着在N型硅片的背面旋涂聚乙烯亚胺溶液，并进行热处理，然后在N型硅片的背面制备铝电极，在N型硅片的正面制备银电极。

Description

一种N型硅异质结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能光伏发电技术领域，特别是涉及一种N型硅异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
硅基太阳电池主要包括单晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池和多晶硅薄膜太阳电池。其中单晶硅太阳电池的转换效率最高，在目前商业化太阳电池市场中占绝对统治地位。单晶硅太阳能电池的光电转化效率无疑非常具有竞争力，但由于其原材料价格高、复杂的制作工艺的影响，致使其成本太高，不利于实现大规模的民用光伏发电。为了降低成本，薄膜太阳能电池引起了人们的关注，它包括多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池。目前多晶硅电池由于成本稍低已被广泛用于商业化太阳能电池的制备中，多晶硅材晶体结构呈无规律性。非晶硅薄膜电池由于材料无序导致载流子寿命短，扩散长度小，电子空穴复合严重，并且长时间光照下会产生光致衰减效应，因而转换效率低下。因此，如何设计一种制作简单、光电转换效率高的太阳能电池及组件，是业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种N型硅异质结太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种N型硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对N型硅片进行清洗，接着利用氢氟酸去除氧化硅绝缘层；
（2）采用金属离子辅助化学刻蚀法在所述N型硅片的上表面制备N型硅纳米线阵列；
（3）将含有所述N型硅纳米线阵列的所述N型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，作为阳极，并在硫化钠的乙二醇溶液中放置铂电极，作为阴极，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层；
（4）在所述N型硅纳米线阵列的表面旋涂铁电薄膜材料的前驱体溶液，在150-180℃下烘烤5-10分钟，然后在500-600℃下退火处理10-20分钟，以得到铁电钝化薄膜；
（5）随后于惰性气氛中在所述铁电钝化薄膜的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴溶液，在空气中110-120℃下退火10-20分钟，以得到2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜，所述N型硅纳米线阵列与所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜形成径向异质结；
（6）在所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜的表面旋涂聚乙烯醇溶液，在105-110℃下退火12-15分钟，以得到聚乙烯醇隧道层；
（7）在所述聚乙烯醇隧道层的表面旋涂PEDOT:PSS溶液，在110-120℃下退火20-30分钟，以得到PEDOT:PSS透明导电层；
（8）在所述N型硅片的下表面旋涂聚乙烯亚胺溶液，在105-110℃下退火12-15分钟，以得到聚乙烯亚胺层；
（9）在所述PEDOT:PSS透明导电层的表面制备银电极，在所述聚乙烯亚胺层的表面制备铝电极。
作为优选，所述N型硅纳米线阵列中硅纳米线的长度为500-1500 nm，相邻硅纳米线之间的间距为100-500 nm，所述硅纳米线的直径为50-300nm。
作为优选，所述铁电钝化薄膜的材质为PZT、BTO、BFO或BST，优选为PZT，所述铁电钝化薄膜的厚度为1-3纳米。
作为优选，所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜的厚度为35-55纳米。
作为优选，所述聚乙烯醇隧道层的厚度为1-3纳米。
作为优选，所述PEDOT:PSS透明导电层的厚度为30-50纳米。
作为优选，所述聚乙烯亚胺层的厚度为1-3纳米。
作为优选，所述银电极为银栅电极，所述铝电极的厚度为50-100纳米。
本发明还提供了一种N型硅异质结太阳能电池，所述N型硅异质结太阳能电池为采用上述方法制备形成的N型硅异质结太阳能电池。
由于本发明的N型硅异质结太阳能电池是采用上述方法制备形成的，，本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1) 本发明所述的N型硅异质结太阳能电池，在硅纳米线阵列的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜作为空穴的传输层，采用N型硅纳米线阵列与2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜形成的径向异质结结构，通过对N型硅纳米线阵列表面悬空键导致的缺陷态进行最大限度的修复，以得到高质量p-n结，实现了光电转换效率超过17%的N型硅异质结太阳能电池。
(2) 本发明采用硅纳米线阵列作为光吸收层，提高了对太阳能光的吸收效率，同时异质结界面面积增加，提高了电子空穴对的分离及传输效率，有效地提高了太阳能电池的转换效率。
(3) 本发明通过金属离子辅助化学刻蚀法形成硅纳米线阵列，通过控制刻蚀时间得到了长度和密度合适的硅纳米线阵列结构，有利于径向异质结的形成。
(4) 本发明对硅纳米线阵列表面进行钝化改性，通过硫化钝化以及铁电薄膜钝化的配合作用，有效钝化了硅纳米线阵列表面的悬空键，使得硅纳米线阵列表面的悬空键接近完全钝化，降低了硅纳米线阵列表面的缺陷态密度，提高了异质结界面的稳定性。
(5) 本发明通过在N型硅纳米线阵列与2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜与PEDOT:PSS透明导电层之间设置聚乙烯醇隧道层，利用隧穿效应，提供了空穴的传输效率。
(6)本发明在铝电极与N型硅片之间设置了聚乙烯亚胺层，聚乙烯亚胺层的存在降低了铝电极的功函数，进而降低了铝电极与N型硅片之间接触电阻，提高了N型硅异质结太阳能电池的内建电场，抑制了电子与空穴的复合。
(7)本发明的各功能层均是低温溶液法形成的，制备过程简单，降低了生产能耗，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明的N型硅异质结太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明具体实施例提出的一种N型硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对N型硅片1进行清洗，接着利用氢氟酸去除氧化硅绝缘层；
（2）采用金属离子辅助化学刻蚀法在所述N型硅片1的上表面制备N型硅纳米线阵列2；
（3）将含有所述N型硅纳米线阵列2的所述N型硅片1浸入硫化钠的乙二醇溶液中，作为阳极，并在硫化钠的乙二醇溶液中放置铂电极，作为阴极，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层3；
（4）在所述N型硅纳米线阵列2的表面旋涂铁电薄膜材料的前驱体溶液，在150-180℃下烘烤5-10分钟，然后在500-600℃下退火处理10-20分钟，以得到铁电钝化薄膜4；
（5）随后于惰性气氛中在所述铁电钝化薄膜4的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴溶液，在空气中110-120℃下退火10-20分钟，以得到2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5，所述N型硅纳米线阵列3与所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5形成径向异质结；
（6）在所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5的表面旋涂聚乙烯醇溶液，在105-110℃下退火12-15分钟，以得到聚乙烯醇隧道层6；
（7）在所述聚乙烯醇隧道层6的表面旋涂PEDOT:PSS溶液，在110-120℃下退火20-30分钟，以得到PEDOT:PSS透明导电层7；
（8）在所述N型硅片的下表面旋涂聚乙烯亚胺溶液，在105-110℃下退火12-15分钟，以得到聚乙烯亚胺层8；
（9）在所述PEDOT:PSS透明导电层的表面制备银电极9，在所述聚乙烯亚胺层的表面制备铝电极10。
其中，所述N型硅纳米线阵列中硅纳米线的长度为500-1500 nm，相邻硅纳米线之间的间距为100-500 nm，所述硅纳米线的直径为50-300nm。所述铁电钝化薄膜的材质为PZT、BTO、BFO或BST，优选为PZT，所述铁电钝化薄膜的厚度为1-3纳米。所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜的厚度为35-55纳米。所述聚乙烯醇隧道层的厚度为1-3纳米。所述PEDOT:PSS透明导电层的厚度为30-50纳米。所述聚乙烯亚胺层的厚度为1-3纳米。所述银电极为银栅电极，所述铝电极的厚度为50-100纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的N型硅异质结太阳能电池，所述N型硅异质结太阳能电池从下至上铝电极10、聚乙烯亚胺层8、N型硅片1、N型硅纳米线阵列2、硫化钝化层3、铁电钝化薄膜4、2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5、聚乙烯醇隧道层6、PEDOT:PSS透明导电层7以及银电极9。
实施例1：
一种N型硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对N型硅片1进行清洗，所述清洗步骤包括：首先将N型硅片1浸入浓硫酸：双氧水（体积比为3:1）的混合溶液中，在120℃下热浴50分钟，然后取出并用去离子水冲洗干净，在将N型硅片1依次浸入丙酮、乙醇和去离子水中，超声洗涤各20分钟，用氮气吹干，接着利用氢氟酸去除N型硅片1表面的氧化硅绝缘层；
（2）采用金属离子辅助化学刻蚀法在所述N型硅片1的上表面制备N型硅纳米线阵列2，具体步骤为：将清洗后的N型硅片1置入4.9M氢氟酸/0.025M硝酸银的刻蚀溶液中室温下刻蚀15分钟，得到N型硅纳米线阵列2，所述N型硅纳米线阵列中硅纳米线的长度为800 nm，相邻硅纳米线之间的间距为200 nm，所述硅纳米线的直径为100nm；
（3）将含有所述N型硅纳米线阵列2的所述N型硅片1浸入硫化钠的0.5M乙二醇溶液中，作为阳极，并在硫化钠的乙二醇溶液中放置铂电极，作为阴极，进行电镀硫化处理10分钟，以得到硫化钝化层3，；
（4）在所述N型硅纳米线阵列2的表面旋涂PZT铁电薄膜材料的前驱体溶液，在160℃下烘烤5分钟，然后在600℃下退火处理10分钟，以得到厚度为2纳米的PZT铁电钝化薄膜4；
（5）随后于惰性气氛中在所述铁电钝化薄膜4的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴溶液，在空气中115℃下退火15分钟，以得到厚度为45纳米的2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5，所述N型硅纳米线阵列3与所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5形成径向异质结；
（6）在所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5的表面旋涂聚乙烯醇溶液，在120℃下退火15分钟，以得到厚度为2纳米的聚乙烯醇隧道层6；
（7）在所述聚乙烯醇隧道层6的表面旋涂PEDOT:PSS溶液，在110℃下退火20分钟，以得到厚度为30纳米的PEDOT:PSS透明导电层7；
（8）在所述N型硅片的下表面旋涂聚乙烯亚胺溶液，在105℃下退火12分钟，以得到厚度为1纳米的聚乙烯亚胺层8；
（9）在所述PEDOT:PSS透明导电层的表面制备银栅电极9，在所述聚乙烯亚胺层的表面制备厚度为50纳米的铝电极10。
将上述方法制备的N型硅异质结太阳能电池，通过各层之间的配合作用，该N型硅异质结太阳能电池的开路电压为0.65V，短路电流为35 mA/cm2，填充因子为0.73，光电转换效率为16.6%。
实施例2：
一种N型硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对N型硅片1进行清洗，所述清洗步骤包括：首先将N型硅片1浸入浓硫酸：双氧水（体积比为3:1）的混合溶液中，在120℃下热浴50分钟，然后取出并用去离子水冲洗干净，在将N型硅片1依次浸入丙酮、乙醇和去离子水中，超声洗涤各20分钟，用氮气吹干，接着利用氢氟酸去除N型硅片1表面的氧化硅绝缘层；
（2）采用金属离子辅助化学刻蚀法在所述N型硅片1的上表面制备N型硅纳米线阵列2，具体步骤为：将清洗后的N型硅片1置入4.9M氢氟酸/0.025M硝酸银的刻蚀溶液中室温下刻蚀25分钟，得到N型硅纳米线阵列2，所述N型硅纳米线阵列中硅纳米线的长度为1200 nm，相邻硅纳米线之间的间距为400 nm，所述硅纳米线的直径为200nm；
（3）将含有所述N型硅纳米线阵列2的所述N型硅片1浸入硫化钠的0.5M乙二醇溶液中，作为阳极，并在硫化钠的乙二醇溶液中放置铂电极，作为阴极，进行电镀硫化处理15分钟，以得到硫化钝化层3，；
（4）在所述N型硅纳米线阵列2的表面旋涂BTO铁电薄膜材料的前驱体溶液，在180℃下烘烤10分钟，然后在550℃下退火处理15分钟，以得到厚度为1.5纳米的PZT铁电钝化薄膜4；
（5）随后于惰性气氛中在所述铁电钝化薄膜4的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴溶液，在空气中115℃下退火15分钟，以得到厚度为35纳米的2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5，所述N型硅纳米线阵列3与所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5形成径向异质结；
（6）在所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜5的表面旋涂聚乙烯醇溶液，在105℃下退火12分钟，以得到厚度为1.5纳米的聚乙烯醇隧道层6；
（7）在所述聚乙烯醇隧道层6的表面旋涂PEDOT:PSS溶液，在120℃下退火30分钟，以得到厚度为50纳米的PEDOT:PSS透明导电层7；
（8）在所述N型硅片的下表面旋涂聚乙烯亚胺溶液，在110℃下退火15分钟，以得到厚度为1.5纳米的聚乙烯亚胺层8；
（9）在所述PEDOT:PSS透明导电层的表面制备银栅电极9，在所述聚乙烯亚胺层的表面制备厚度为100纳米的铝电极10。
将上述方法制备的N型硅异质结太阳能电池，通过各层之间的配合作用，该N型硅异质结太阳能电池的开路电压为0.65V，短路电流为33 mA/cm2，填充因子为0.81，光电转换效率为17.4%。
本发明中各功能层均是低温溶液法形成的，制备过程简单，且通过各功能层之间的相互配合，得到了填充因子高达0.81，光电转换效率高达17.4%的N型硅异质结太阳能电池。
对比例：
为了突出本发明N型硅异质结太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种N型硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）对N型硅片进行清洗，所述清洗步骤包括：首先将N型硅片浸入浓硫酸：双氧水（体积比为3:1）的混合溶液中，在120℃下热浴50分钟，然后取出并用去离子水冲洗干净，在将N型硅片依次浸入丙酮、乙醇和去离子水中，超声洗涤各20分钟，用氮气吹干，接着利用氢氟酸去除N型硅片1表面的氧化硅绝缘层；
（2）采用金属离子辅助化学刻蚀法在所述N型硅片的上表面制备N型硅纳米线阵列，具体步骤为：将清洗后的N型硅片置入4.9M氢氟酸/0.025M硝酸银的刻蚀溶液中室温下刻蚀25分钟，得到N型硅纳米线阵列，所述N型硅纳米线阵列中硅纳米线的长度为1200 nm，相邻硅纳米线之间的间距为400 nm，所述硅纳米线的直径为200nm；
（3）对所述N型硅片的所述N型硅纳米线阵列进行常规的甲基化钝化处理；
（4）随后于惰性气氛中在所述N型硅纳米线阵列的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴溶液，在空气中115℃下退火15分钟，以得到厚度为35纳米的2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜，所述N型硅纳米线阵列与所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜形成径向异质结；
（5）在所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜的表面旋涂PEDOT:PSS溶液，在120℃下退火30分钟，以得到厚度为50纳米的PEDOT:PSS透明导电层；
（6）在所述PEDOT:PSS透明导电层的表面制备银栅电极，在所述所述N型硅片的背面制备厚度为100纳米的铝电极。
该N型硅异质结太阳能电池的开路电压为0.57V，短路电流为36 mA/cm2，填充因子为0.55，光电转换效率为11.3%。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）对N型硅片进行清洗，接着利用氢氟酸去除氧化硅绝缘层；
（2）采用金属离子辅助化学刻蚀法在所述N型硅片的上表面制备N型硅纳米线阵列；
（3）将含有所述N型硅纳米线阵列的所述N型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，作为阳极，并在硫化钠的乙二醇溶液中放置铂电极，作为阴极，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层；
（4）在所述N型硅纳米线阵列的表面旋涂铁电薄膜材料的前驱体溶液，在150-180℃下烘烤5-10分钟，然后在500-600℃下退火处理10-20分钟，以得到铁电钝化薄膜；
（5）随后于惰性气氛中在所述铁电钝化薄膜的表面旋涂2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴溶液，在空气中110-120℃下退火10-20分钟，以得到2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜，所述N型硅纳米线阵列与所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜形成径向异质结；
（6）在所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜的表面旋涂聚乙烯醇溶液，在105-110℃下退火12-15分钟，以得到聚乙烯醇隧道层；
（7）在所述聚乙烯醇隧道层的表面旋涂PEDOT:PSS溶液，在110-120℃下退火20-30分钟，以得到PEDOT:PSS透明导电层；
（8）在所述N型硅片的下表面旋涂聚乙烯亚胺溶液，在105-110℃下退火12-15分钟，以得到聚乙烯亚胺层；
（9）在所述PEDOT:PSS透明导电层的表面制备银电极，在所述聚乙烯亚胺层的表面制备铝电极。
2. 根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述N型硅纳米线阵列中硅纳米线的长度为500-1500 nm，相邻硅纳米线之间的间距为100-500 nm，所述硅纳米线的直径为50-300nm。
3.根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述铁电钝化薄膜的材质为PZT、BTO、BFO或BST，优选为PZT，所述铁电钝化薄膜的厚度为1-3纳米。
4.根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述2,2’,7,7’-四(N,N-二-对-甲氧基苯基-氨)-9,9’-螺二芴薄膜的厚度为35-55纳米。
5.根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇隧道层的厚度为1-3纳米。
6.根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述PEDOT:PSS透明导电层的厚度为30-50纳米。
7.根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯亚胺层的厚度为1-3纳米。
8.根据权利要求1所述的N型硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述银电极为银栅电极，所述铝电极的厚度为50-100纳米。
9.一种N型硅异质结太阳能电池，其特征在于，所述N型硅异质结太阳能电池为采用权利要求1-8任一项所述的方法制备形成的N型硅异质结太阳能电池。
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