CN108011045B - 一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。该硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法包括：n型硅片的清洗；硅微米柱阵列的制备；P3HT‑Cs2CO3界面层的制备；P3HT‑CuS复合层的制备；ITO透明导电层的制备；正面电极的制备；背面电极的制备。所述硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率高达13.2％。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
硅基太阳能电池主要包括单晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池以及有机无机杂化太阳能电池。常规的Si/P3HT有机无机杂化太阳能电池的制备过程中，通常为在硅纳米线基底上旋涂P3HT溶液形成P3HT层，而现有方法制备的太阳能电池中Si/P3HT形成的结的性能较差，进而导致其开路电压较小。如何提高Si/P3HT有机无机杂化太阳能电池的开路电压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，提供一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗；(2)利用干法刻蚀在n型硅片的表面制备硅微米柱阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述n型硅片表面的自然氧化物；(3)P3HT-Cs2CO3界面层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT-Cs2CO3混合溶液，其中所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中P3HT的浓度为0.5-2mg/ml，Cs2CO3的浓度为0.05-0.2mg/ml，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-Cs2CO3界面层；(4)P3HT-CuS复合层的制备：在所述P3HT-Cs2CO3界面层表面旋涂P3HT-CuS混合溶液，其中所述P3HT-CuS混合溶液中P3HT的浓度为5-10mg/ml，CuS的浓度为0.1-0.5mg/ml，旋涂的速度为1500-2000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-CuS复合层；(5)在所述P3HT-CuS复合层表面制备ITO透明导电层；(6)制备正面栅电极；(7)制备背面电极。
作为优选，在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在100-120℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。
作为优选，在所述步骤(2)中，所述硅微米柱阵列中单根硅微米柱的长度为2-5微米，所述硅微米柱的直径为0.5-2微米，相邻硅微米柱的间距为0.5-3微米。
作为优选，所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120-140℃以及退火时间为10-20分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为120-140℃，退火时间20-30分钟。
作为优选，在所述步骤(5)中通过磁控溅射法制备所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为100-150纳米。
作为优选，在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为金、银或铜，所述正面栅电极的厚度为50-100纳米。
作为优选，在所述步骤(7)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝、银或铜，所述背面电极的厚度为250-300纳米。
本发明还提供了一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池，所述硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池为采用上述方法制备形成的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池中采用硅微米柱阵列作为光吸收层，减少光反射以提高太阳光的利用率的同时，与纳米尺寸的硅纳米线相比，微米尺寸的微米柱结构更有利于后续有机半导体层的制备，且通过进一步优化微米柱阵列的具体参数，便于形成厚度均匀且致密的有机半导体层，有效避免裸露的硅与电极直接接触，有效减少漏电流，提高太阳能电池的开路电压。
在硅微米柱阵列与P3HT-CuS复合层之间插入一层极薄的P3HT-Cs2CO3界面层，该界面层的存在可以改善硅微米柱阵列与P3HT-CuS复合层之间的接触势垒，提高相应太阳能电池的开路电压和填充因子，便于电子空穴对的分离与传输，进而提高其光电转换效率。同时P3HT-CuS复合层中由于CuS的存在，降低了P3HT的电阻率，提高了其导电性，便于空穴及时传输至ITO透明导电层，进一步提高了太阳能电池的稳定性，通过优化各组分的具体含量，使得该硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率高达13.2％。
附图说明
图1为本发明的硅微米柱阵列有机无机杂化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硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗；(2)利用干法刻蚀在n型硅片的表面制备硅微米柱阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述n型硅片表面的自然氧化物；(3)P3HT-Cs2CO3界面层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT-Cs2CO3混合溶液，其中所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中P3HT的浓度为0.5-2mg/ml，Cs2CO3的浓度为0.05-0.2mg/ml，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-Cs2CO3界面层；(4)P3HT-CuS复合层的制备：在所述P3HT-Cs2CO3界面层表面旋涂P3HT-CuS混合溶液，其中所述P3HT-CuS混合溶液中P3HT的浓度为5-10mg/ml，CuS的浓度为0.1-0.5mg/ml，旋涂的速度为1500-2000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-CuS复合层；(5)在所述P3HT-CuS复合层表面制备ITO透明导电层；(6)制备正面栅电极；(7)制备背面电极。
其中，在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在100-120℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。在所述步骤(2)中，所述硅微米柱阵列中单根硅微米柱的长度为2-5微米，所述硅微米柱的直径为0.5-2微米，相邻硅微米柱的间距为0.5-3微米。所述步骤(3)中的所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中的Cs2CO3为纳米粉末。所述步骤(4)中的P3HT-CuS混合溶液中的CuS为纳米粉末。所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120-140℃以及退火时间为10-20分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为120-140℃，退火时间20-30分钟。在所述步骤(5)中通过磁控溅射法制备所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为100-150纳米。在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为金、银或铜，所述正面栅电极的厚度为50-100纳米。在所述步骤(7)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝、银或铜，所述背面电极的厚度为250-300纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池，所述硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池从下至上包括背面电极1、n型硅片2、硅微米柱阵列3、P3HT-Cs2CO3界面层4、P3HT-CuS复合层5、ITO透明导电层6以及正面栅电极7。
实施例1：
一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗；(2)利用干法刻蚀在n型硅片的表面制备硅微米柱阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述n型硅片表面的自然氧化物；(3)P3HT-Cs2CO3界面层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT-Cs2CO3混合溶液，其中所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中P3HT的浓度为1mg/ml，Cs2CO3的浓度为0.1mg/ml，旋涂的转速为3500转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-Cs2CO3界面层；(4)P3HT-CuS复合层的制备：在所述P3HT-Cs2CO3界面层表面旋涂P3HT-CuS混合溶液，其中所述P3HT-CuS混合溶液中P3HT的浓度为8mg/ml，CuS的浓度为0.3mg/ml，旋涂的速度为1900转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-CuS复合层；(5)在所述P3HT-CuS复合层表面制备ITO透明导电层；(6)制备正面栅电极；(7)制备背面电极。
其中，在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在110℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。在所述步骤(2)中，所述硅微米柱阵列中单根硅微米柱的长度为3微米，所述硅微米柱的直径为1微米，相邻硅微米柱的间距为1微米。所述步骤(3)中的所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中的Cs2CO3为纳米粉末。所述步骤(4)中的P3HT-CuS混合溶液中的CuS为纳米粉末。所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为130℃以及退火时间为15分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为130℃，退火时间25分钟。在所述步骤(5)中通过磁控溅射法制备所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为120纳米。在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银，所述正面栅电极的厚度为80纳米。在所述步骤(7)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为270纳米。
上述方法制备的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的开路电压为0.58V，短路电流为31.5mA/cm2，填充因子为0.72，光电转换效率为13.2％。
实施例2
一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗；(2)利用干法刻蚀在n型硅片的表面制备硅微米柱阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述n型硅片表面的自然氧化物；(3)P3HT-Cs2CO3界面层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT-Cs2CO3混合溶液，其中所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中P3HT的浓度为0.5mg/ml，Cs2CO3的浓度为0.05mg/ml，旋涂的转速为3000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-Cs2CO3界面层；(4)P3HT-CuS复合层的制备：在所述P3HT-Cs2CO3界面层表面旋涂P3HT-CuS混合溶液，其中所述P3HT-CuS混合溶液中P3HT的浓度为5mg/ml，CuS的浓度为0.1mg/ml，旋涂的速度为1500转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-CuS复合层；(5)在所述P3HT-CuS复合层表面制备ITO透明导电层；(6)制备正面栅电极；(7)制备背面电极。
其中，在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在100℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。在所述步骤(2)中，所述硅微米柱阵列中单根硅微米柱的长度为2微米，所述硅微米柱的直径为0.5微米，相邻硅微米柱的间距为0.5微米。所述步骤(3)中的所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中的Cs2CO3为纳米粉末。所述步骤(4)中的P3HT-CuS混合溶液中的CuS为纳米粉末。所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120℃以及退火时间为10分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为120℃，退火时间20分钟。在所述步骤(5)中通过磁控溅射法制备所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为100纳米。在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为铜，所述正面栅电极的厚度为50纳米。在所述步骤(7)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为250纳米。
上述方法制备的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的开路电压为0.57V，短路电流为31mA/cm2，填充因子为0.7，光电转换效率为12.4％。
实施例3
一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片的清洗；(2)利用干法刻蚀在n型硅片的表面制备硅微米柱阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述n型硅片表面的自然氧化物；(3)P3HT-Cs2CO3界面层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT-Cs2CO3混合溶液，其中所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中P3HT的浓度为2mg/ml，Cs2CO3的浓度为0.2mg/ml，旋涂的转速为4000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-Cs2CO3界面层；(4)P3HT-CuS复合层的制备：在所述P3HT-Cs2CO3界面层表面旋涂P3HT-CuS混合溶液，其中所述P3HT-CuS混合溶液中P3HT的浓度为10mg/ml，CuS的浓度为0.5mg/ml，旋涂的速度为2000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-CuS复合层；(5)在所述P3HT-CuS复合层表面制备ITO透明导电层；(6)制备正面栅电极；(7)制备背面电极。
其中，在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在120℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。在所述步骤(2)中，所述硅微米柱阵列中单根硅微米柱的长度为5微米，所述硅微米柱的直径为2微米，相邻硅微米柱的间距为3微米。所述步骤(3)中的所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中的Cs2CO3为纳米粉末。所述步骤(4)中的P3HT-CuS混合溶液中的CuS为纳米粉末。所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为140℃以及退火时间为20分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为140℃，退火时间30分钟。在所述步骤(5)中通过磁控溅射法制备所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为150纳米。在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银，所述正面栅电极的厚度为100纳米。在所述步骤(7)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为300纳米。
上述方法制备的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的开路电压为0.56V，短路电流为30mA/cm2，填充因子为0.68，光电转换效率为11.4％。
对比例：
为了突出本发明硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种硅/P3HT太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；(2)利用湿法刻蚀在n型硅片的表面制备硅纳米线阵列；(3)P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT溶液，其中所述P3HT溶液中P3HT的浓度为10mg/ml，旋涂的转速为2000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT层；(4)PEDOT:PSS层的制备：在所述P3HT层表面旋涂导电率为1000的PEDOT:PSS溶液，旋涂的速度为2000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述PEDOT:PSS层；(5)制备正面栅电极；(6)制备背面电极。在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在110℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为130℃以及退火时间为30分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为110℃，退火时间15分钟。在所述步骤(5)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为银，所述正面栅电极的厚度为80纳米。在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为300纳米。
该硅/P3HT太阳能电池的开路电压为0.52V，短路电流为34.5mA/cm2，填充因子为0.55，光电转换效率为9.9％。
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)
1.一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)n型硅片的清洗；
(2)利用干法刻蚀在n型硅片的表面制备硅微米柱阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述n型硅片表面的自然氧化物；
(3)P3HT-Cs2CO3界面层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT-Cs2CO3混合溶液，其中所述P3HT-Cs2CO3混合溶液中P3HT的浓度为0.5-2mg/ml，Cs2CO3的浓度为0.05-0.2mg/ml，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-Cs2CO3界面层；
(4)P3HT-CuS复合层的制备：在所述P3HT-Cs2CO3界面层表面旋涂P3HT-CuS混合溶液，其中所述P3HT-CuS混合溶液中P3HT的浓度为5-10mg/ml，CuS的浓度为0.1-0.5mg/ml，旋涂的速度为1500-2000转/分钟，然后进行退火处理，形成所述P3HT-CuS复合层；
(5)在所述P3HT-CuS复合层表面制备ITO透明导电层；
(6)制备正面栅电极；
(7)制备背面电极。
2.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中n型硅片的清洗包括：将n型硅片置于浓硫酸/双氧水混合溶液中，在100-120℃下进行热处理清洗，接着用去离子水冲洗，然后用氮气吹干备用。
3.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所述硅微米柱阵列中单根硅微米柱的长度为2-5微米，所述硅微米柱的直径为0.5-2微米，相邻硅微米柱的间距为0.5-3微米。
4.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120-140℃以及退火时间为10-20分钟；所述步骤(4)中的退火处理的退火温度为120-140℃，退火时间20-30分钟。
5.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中通过磁控溅射法制备所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为100-150纳米。
6.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(6)中通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的材质为金、银或铜，所述正面栅电极的厚度为50-100纳米。
7.根据权利要求1所述的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(7)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝、银或铜，所述背面电极的厚度为250-300纳米。
8.一种硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池，其特征在于，所述硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池为采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的硅微米柱阵列有机无机杂化太阳能电池。
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