CN107946471A - 一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池及其制备方法，用以提高光伏电池的光电转换效率。基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制作方法包括：n型硅片的清洗；在n型硅片的表面制备硅纳米线阵列；对n型硅片以及硅纳米线各自的表面进行钝化处理；硅纳米线/P3HT复合活性膜的制备；PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的制备；聚乙烯亚胺有机钝化层的制备；ITO透明导电层的制备；正面银栅电极的制备；背面电极的制备。

Description

一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光伏电池技术领域，特别是涉及一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池及其制备方法。
背景技术
无机太阳电池因其造价过于昂贵，而无法得到大规模的应用。有机太阳能电池由于其材料便宜、退火温度低、制作过程简单等优势而有希望降低太阳能电池的生产成本，然而有机太阳能电池的效率远低于无机太阳能电池。因此基于无机和有机半导体材料的有机无机杂化太阳能电池越来越受到了人们的青睐，它提供了一种既可以简化制造步骤又可以降低成本的生产技术。减少电池受光面上入射光的反射式提高太阳能电池的光电转换效率的中要手段，而在硅片表面形成的硅纳米线阵列可以有效降低光反射，而引起了人们的广泛关注。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗20-40分钟，并用氮气吹干，接着将吹干的n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，110-120℃下热处理40-60分钟，接着用去离子水冲洗n型硅片，最后利用氢氟酸去除所述n型硅片的表面的自然氧化硅层；(2)在n型硅片的表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，室温下反应20-40分钟，然后取出n型硅片，去离子冲洗后，在硝酸溶液中浸泡30-70分钟，以去除n型硅片表面的银颗粒，然后用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；(3)对n型硅片以及硅纳米线各自的表面进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-20分钟，然后浸入硫化氨的水溶液中，n型硅片作为阳极，并在硫化氨的水溶液中放置铂电极作为阴极，进行电镀硫化处理，在n型硅片以及硅纳米线各自的表面形成硫化钝化层；(4)硅纳米线/P3HT复合活性膜的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂含有n型硅纳米线的P3HT溶液，转速为500-1500转/分钟，旋涂时间为2-5分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为100℃，退火时间为5-15分钟，形成致密的硅纳米线/P3HT复合活性膜；(5)PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的制备：在硅纳米线/P3HT复合活性膜表面旋涂含有P型Cu9S5导电化合物和硼掺杂石墨烯的PEDOT:PSS溶液；转速为2000-3000转/分钟，旋涂时间为3-6分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为110-120℃，退火时间为10-20分钟，形成致密的PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层；(6)聚乙烯亚胺有机钝化层的制备：在所述n型硅片正面旋涂聚乙烯亚胺溶液，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为90-120℃，退火时间为5-10分钟，以形成聚乙烯亚胺有机钝化层；(7)ITO透明导电层的制备：在步骤6得到的n型硅片的正面利用磁控溅射工艺形成ITO透明导电层；(8)正面银栅电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片正面蒸镀正面银栅电极；(9)背面电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片背面蒸镀钛钯银背面电极。
作为优选，在所述步骤4中，所述n型硅纳米线的长度为600-900nm，所述n型硅纳米线的直径为10-40nm，所述硅纳米线/P3HT复合活性膜的厚度为30-50纳米。
作为优选，所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液的制备方法为：采用金属离子辅助化学刻蚀法在n型硅基底的上表面制备n型硅纳米线阵列，然后利用刀片将n型硅纳米线阵列刮入P3HT溶液中，以形成所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液。
作为优选，所述PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的厚度为30-60nm。
作为优选，所述聚乙烯亚胺有机钝化层的厚度为1-2纳米。
作为优选，所述ITO透明导电层的厚度为50-150nm，所述正面银栅电极的厚度为50-100纳米。
作为优选，所述钛钯银背面电极的厚度为100-200nm。
本发明还提供了一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池，所述一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池为采用上述方法制备形成的一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
(1)本发明采用硅纳米线阵列作为光吸收层，减少光反射，同时硅纳米线与硅纳米线/P3HT复合活性膜形成径向异质结，使得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。
(2)本发明具有硅纳米线/P3HT复合活性膜，一部分P3HT与硅纳米线阵列形成异质结的同时，另一部分P3HT与硅纳米线/P3HT复合活性膜中的n型硅纳米线形成高质量的异质结，有效提高了硅与P3HT的接触面积，同时由于硅纳米线/P3HT复合活性膜中的n型硅纳米线的随机排列，可以将电子有效传输至硅纳米线阵列，进而提高其光电转换效率。
(3)本发明采用PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层和ITO透明导电层的双层导电层结构，并在二者之间形成具有隧穿功能的聚乙烯亚胺有机钝化层，可以提高载流子的传输效率，同时通过在PEDOT:PSS中添加P型Cu9S5导电化合物和硼掺杂石墨烯，调节PEDOT:PSS的功函降低接触电阻的同时，提高复合导电层的导电率，有利于电池中载流子的传输，进而提高太阳能电池的开路电压和填充因子。
(4)本发明使用简单的、低温的过程制备基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池，有效降低生产成本的同时得到一高光电转换效率的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池。
附图说明
图1为本发明的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明具体实施例提出的一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗20-40分钟，并用氮气吹干，接着将吹干的n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，110-120℃下热处理40-60分钟，接着用去离子水冲洗n型硅片，最后利用氢氟酸去除所述n型硅片的表面的自然氧化硅层；(2)在n型硅片的表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，室温下反应20-40分钟，然后取出n型硅片，去离子冲洗后，在硝酸溶液中浸泡30-70分钟，以去除n型硅片表面的银颗粒，然后用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；(3)对n型硅片以及硅纳米线各自的表面进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-20分钟，然后浸入硫化氨的水溶液中，n型硅片作为阳极，并在硫化氨的水溶液中放置铂电极作为阴极，进行电镀硫化处理，在n型硅片以及硅纳米线各自的表面形成硫化钝化层；(4)硅纳米线/P3HT复合活性膜的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂含有n型硅纳米线的P3HT溶液，转速为500-1500转/分钟，旋涂时间为2-5分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为100℃，退火时间为5-15分钟，形成致密的硅纳米线/P3HT复合活性膜；(5)PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的制备：在硅纳米线/P3HT复合活性膜表面旋涂含有P型Cu9S5导电化合物和硼掺杂石墨烯的PEDOT:PSS溶液；转速为2000-3000转/分钟，旋涂时间为3-6分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为110-120℃，退火时间为10-20分钟，形成致密的PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层；(6)聚乙烯亚胺有机钝化层的制备：在所述n型硅片正面旋涂聚乙烯亚胺溶液，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为90-120℃，退火时间为5-10分钟，以形成聚乙烯亚胺有机钝化层；(7)ITO透明导电层的制备：在步骤6得到的n型硅片的正面利用磁控溅射工艺形成ITO透明导电层；(8)正面银栅电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片正面蒸镀正面银栅电极；(9)背面电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片背面蒸镀钛钯银背面电极。
其中，在所述步骤4中，所述n型硅纳米线的长度为600-900nm，所述n型硅纳米线的直径为10-40nm，所述硅纳米线/P3HT复合活性膜的厚度为30-50纳米。所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液的制备方法为：采用金属离子辅助化学刻蚀法在n型硅基底的上表面制备n型硅纳米线阵列，然后利用刀片将n型硅纳米线阵列刮入P3HT溶液中，以形成所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液。所述PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的厚度为30-60nm。所述聚乙烯亚胺有机钝化层的厚度为1-2纳米。所述ITO透明导电层的厚度为50-150nm，所述正面银栅电极的厚度为50-100纳米。所述钛钯银背面电极的厚度为100-200nm。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池，所述基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池从下至上包括钛钯银背面电极9、n型硅片1、硅纳米线阵列2、硫化钝化层3、硅纳米线/P3HT复合活性膜4、PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层5、聚乙烯亚胺有机钝化层6、ITO透明导电层7以及正面银栅电极8。
实施例1：
一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗40分钟，并用氮气吹干，接着将吹干的n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，115℃下热处理50分钟，接着用去离子水冲洗n型硅片，最后利用氢氟酸去除所述n型硅片的表面的自然氧化硅层；(2)在n型硅片的表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，室温下反应30分钟，然后取出n型硅片，去离子冲洗后，在硝酸溶液中浸泡50分钟，以去除n型硅片表面的银颗粒，然后用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；(3)对n型硅片以及硅纳米线各自的表面进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡10分钟，然后浸入硫化氨的水溶液中，n型硅片作为阳极，并在硫化氨的水溶液中放置铂电极作为阴极，进行电镀硫化处理，在n型硅片以及硅纳米线各自的表面形成硫化钝化层；(4)硅纳米线/P3HT复合活性膜的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂含有n型硅纳米线的P3HT溶液，转速为1000转/分钟，旋涂时间为4分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为100℃，退火时间为10分钟，形成致密的硅纳米线/P3HT复合活性膜；(5)PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的制备：在硅纳米线/P3HT复合活性膜表面旋涂含有P型Cu9S5导电化合物和硼掺杂石墨烯的PEDOT:PSS溶液；转速为2000转/分钟，旋涂时间为5分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为110℃，退火时间为15分钟，形成致密的PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层；(6)聚乙烯亚胺有机钝化层的制备：在所述n型硅片正面旋涂聚乙烯亚胺溶液，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为100℃，退火时间为7分钟，以形成聚乙烯亚胺有机钝化层；(7)ITO透明导电层的制备：在步骤6得到的n型硅片的正面利用磁控溅射工艺形成ITO透明导电层；(8)正面银栅电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片正面蒸镀正面银栅电极；(9)背面电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片背面蒸镀钛钯银背面电极。
其中，在所述步骤4中，所述n型硅纳米线的长度为600nm，所述n型硅纳米线的直径为20nm，所述硅纳米线/P3HT复合活性膜的厚度为40纳米。所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液的制备方法为：采用金属离子辅助化学刻蚀法在n型硅基底的上表面制备n型硅纳米线阵列，然后利用刀片将n型硅纳米线阵列刮入P3HT溶液中，以形成所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液。所述PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的厚度为40nm。所述聚乙烯亚胺有机钝化层的厚度为1纳米。所述ITO透明导电层的厚度为100nm，所述正面银栅电极的厚度为100纳米。所述钛钯银背面电极的厚度为150nm。
将上述方法制备的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池，通过各层之间的配合作用，该基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的开路电压为0.62V，短路电流为35.5mA/cm2，填充因子为0.77，光电转换效率为16.95％。
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 (8)

1.一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗20-40分钟，并用氮气吹干，接着将吹干的n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，110-120℃下热处理40-60分钟，接着用去离子水冲洗n型硅片，最后利用氢氟酸去除所述n型硅片的表面的自然氧化硅层；
（2）在n型硅片的表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，室温下反应20-40分钟，然后取出n型硅片，去离子冲洗后，在硝酸溶液中浸泡30-70分钟，以去除n型硅片表面的银颗粒，然后用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
（3）对n型硅片以及硅纳米线各自的表面进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-20分钟，然后浸入硫化氨的水溶液中，n型硅片作为阳极，并在硫化氨的水溶液中放置铂电极作为阴极，进行电镀硫化处理，在n型硅片以及硅纳米线各自的表面形成硫化钝化层；
（4）硅纳米线/P3HT复合活性膜的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂含有n型硅纳米线的P3HT溶液，转速为500-1500转/分钟，旋涂时间为2-5分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为100℃，退火时间为5-15分钟，形成致密的硅纳米线/P3HT复合活性膜；
（5）PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的制备：在硅纳米线/P3HT复合活性膜表面旋涂含有P型Cu9S5导电化合物和硼掺杂石墨烯的PEDOT:PSS溶液；转速为2000-3000转/分钟，旋涂时间为3-6分钟，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为110-120℃，退火时间为10-20分钟，形成致密的PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层；
（6）聚乙烯亚胺有机钝化层的制备：在所述n型硅片正面旋涂聚乙烯亚胺溶液，然后置于氮气氛围中进行退火处理，退化温度为90-120℃，退火时间为5-10分钟，以形成聚乙烯亚胺有机钝化层；
（7）ITO透明导电层的制备：在步骤6得到的n型硅片的正面利用磁控溅射工艺形成ITO透明导电层；
（8）正面银栅电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片正面蒸镀正面银栅电极；
（9）背面电极的制备：在真空环境下利用热蒸镀法，在n型硅片背面蒸镀钛钯银背面电极。
2. 根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤4中，所述n型硅纳米线的长度为600-900 nm，所述n型硅纳米线的直径为10-40nm，所述硅纳米线/P3HT复合活性膜的厚度为30-50纳米。
3.根据权利要求2所述的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液的制备方法为：采用金属离子辅助化学刻蚀法在n型硅基底的上表面制备n型硅纳米线阵列，然后利用刀片将n型硅纳米线阵列刮入P3HT溶液中，以形成所述含有n型硅纳米线的P3HT溶液。
4.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述PEDOT:PSS/P型Cu9S5导电化合物/硼掺杂石墨烯复合导电层的厚度为30-60nm。
5.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯亚胺有机钝化层的厚度为1-2纳米。
6.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述ITO透明导电层的厚度为50-150nm，所述正面银栅电极的厚度为50-100纳米。
7.根据权利要求1所述的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述钛钯银背面电极的厚度为100-200nm。
8.一种基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池，其特征在于，所述基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池为采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的基于硅纳米线阵列的异质结光伏电池。
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