CN108172657A - 一种黑硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种黑硅太阳能电池及其制备方法，所述黑硅太阳能电池的制备方法包括：n型硅片表面黑硅层的制备；黑硅层表面的钝化处理；硼掺杂石墨烯/Spiro‑OMeTAD复合活性层的制备；n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；ITO透明导电层的制备；正面电极的制备；背面电极的制备。通过制备硼掺杂石墨烯/Spiro‑OMeTAD复合活性层，改善复合活性层与黑硅层之间的半导体接触性能，进而提高黑硅太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种黑硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着工业的高度发展和人口的持续增长，能源问题将成为制约人类发展的关键问题。太阳能是来自于太阳内部的核聚变所蕴藏着的、并能爆发向外辐射的能量，与传统能源相比，太阳能取之不尽，用之不竭。如何充分利用太阳能，使得太阳能真正取代石化能源，成为全人类的能源消耗的最重要来源，已成为人们的研究重点。目前通常利用太阳能电池将光能转换为电能。其中，基于无机半导体材料和有机半导体材料的杂化太阳能电池越来越引起人们的关注，有机无机杂化太阳能电池提供了一种既可以简化制备工艺又可以降低生产成本的工艺技术。在实际的制备过程中，硅片与有机半导体材料的接触性能是影响其光电转换效率的关键因素。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种黑硅太阳能电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种黑硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面黑硅层的制备；(2)黑硅层表面的钝化处理；(3)硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的制备，其包括：步骤3a，通过湿法转移法将硼掺杂石墨烯转移至黑硅层表面，步骤3b，接着旋涂Spiro-OMeTAD溶液，多次重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b，然后进行退火处理，以形成所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层；(4)n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；(5)在所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面制备ITO透明导电层；(6)正面电极的制备；(7)背面电极的制备。
作为优选，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀或干法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。
作为优选，在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。
作为优选，在所述步骤(3)中，重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b的次数为2-5次。
作为优选，在所述步骤3a中通过化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯，在所述步骤3b中Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为5-10mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3000-4000转/每分钟的条件下旋涂1-5分钟。
作为优选，所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为100-120℃以及退火时间为20-30分钟。
作为优选，在所述步骤(4)中，在n型硅片背面依次旋涂ZnO纳米颗粒悬浮液和PEI溶液，其中，ZnO纳米颗粒悬浮液中ZnO的浓度为1-3mg/ml，PEI溶液中PEI的浓度为0.5-1.5mg/ml，旋涂的速度均为4000-6000转/分钟，接着在110-130℃下进行退火20-30min的退火处理，以形成所述ZnO/PEI复合插入层。
作为优选，在所述步骤(5)中，通过磁控溅射法形成所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为150-250纳米。
作为优选，在所述步骤(6)和(7)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极和所述背面电极的材质为钛、钯、银、铜、铝中的一种或多种。
本发明还提供了一种黑硅太阳能电池，所述黑硅太阳能电池为采用上述方法制备形成的黑硅太阳能电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的黑硅太阳能电池中，采用硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合层作为该黑硅太阳能电池的活性层，即黑硅层的一部分与硼掺杂石墨烯接触形成异质结，黑硅层的另一部分与Spiro-OMeTAD接触形成异质结，充分利用两者的优势，提高黑硅太阳能电池的异质结界面面积，进而有利于电子空穴对的分离与传输。同时在硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面形成ITO透明导电层并在硅片背面形成ZnO/PEI复合插入层，有效提高空穴的传输速度，且调节背面金属电极的功函数，便于电子的传输且有效避免空穴在硅衬底背面与电子相复合。
利用本发明的方法形成硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的过程中，在黑硅层表面交替制备硼掺杂石墨烯层和Spiro-OMeTAD层，并优化交替的次数，且通过退火处理使得硼掺杂石墨烯和Spiro-OMeTAD相互混合在一起形成均匀的体异质结，有效提高复合活性层的质量，且通过在硅片背面通过溶液法制备ZnO/PEI复合插入层，且通过优化各步骤的工艺参数，有效改善背面电极与硅片之间的接触性能，提高硅光伏电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的黑硅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黑硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面黑硅层的制备；(2)黑硅层表面的钝化处理；(3)硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的制备，其包括：步骤3a，通过湿法转移法将硼掺杂石墨烯转移至黑硅层表面，步骤3b，接着旋涂Spiro-OMeTAD溶液，多次重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b，然后进行退火处理，以形成所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层；(4)n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；(5)在所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面制备ITO透明导电层；(6)正面电极的制备；(7)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀或干法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。在所述步骤(3)中，重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b的次数为2-5次。在所述步骤3a中通过化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯，在所述步骤3b中Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为5-10mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3000-4000转/每分钟的条件下旋涂1-5分钟。所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为100-120℃以及退火时间为20-30分钟。在所述步骤(4)中，在n型硅片背面依次旋涂ZnO纳米颗粒悬浮液和PEI溶液，其中，ZnO纳米颗粒悬浮液中ZnO的浓度为1-3mg/ml，PEI溶液中PEI的浓度为0.5-1.5mg/ml，旋涂的速度均为4000-6000转/分钟，接着在110-130℃下进行退火20-30min的退火处理，以形成所述ZnO/PEI复合插入层。在所述步骤(5)中，通过磁控溅射法形成所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为150-250纳米。在所述步骤(6)和(7)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极和所述背面电极的材质为钛、钯、银、铜、铝中的一种或多种。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的黑硅太阳能电池，所述黑硅太阳能电池从下至上包括背面电极1、ZnO/PEI复合插入层2、n型硅片3、黑硅层4、硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层5、ITO透明导电层6以及正面电极7。
实施例1：
一种黑硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面黑硅层的制备；(2)黑硅层表面的钝化处理；(3)硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的制备，其包括：步骤3a，通过湿法转移法将硼掺杂石墨烯转移至黑硅层表面，步骤3b，接着旋涂Spiro-OMeTAD溶液，多次重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b，然后进行退火处理，以形成所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层；(4)n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；(5)在所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面制备ITO透明导电层；(6)正面电极的制备；(7)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。在所述步骤(3)中，重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b的次数为4次。在所述步骤3a中通过化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯，在所述步骤3b中Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为7mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3500转/每分钟的条件下旋涂3分钟。所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为110℃以及退火时间为25分钟。在所述步骤(4)中，在n型硅片背面依次旋涂ZnO纳米颗粒悬浮液和PEI溶液，其中，ZnO纳米颗粒悬浮液中ZnO的浓度为2mg/ml，PEI溶液中PEI的浓度为1mg/ml，旋涂的速度均为5000转/分钟，接着在120℃下进行退火25min的退火处理，以形成所述ZnO/PEI复合插入层。在所述步骤(5)中，通过磁控溅射法形成所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为200纳米。在所述步骤(6)和(7)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极的材质是银，所述背面电极的材质为铝。
上述方法制备的黑硅太阳能电池的开路电压为0.61V，短路电流为32.8mA/cm2，填充因子为0.72，光电转换效率为14.4％。
实施例2
一种黑硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面黑硅层的制备；(2)黑硅层表面的钝化处理；(3)硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的制备，其包括：步骤3a，通过湿法转移法将硼掺杂石墨烯转移至黑硅层表面，步骤3b，接着旋涂Spiro-OMeTAD溶液，多次重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b，然后进行退火处理，以形成所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层；(4)n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；(5)在所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面制备ITO透明导电层；(6)正面电极的制备；(7)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。在所述步骤(3)中，重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b的次数为5次。在所述步骤3a中通过化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯，在所述步骤3b中Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为5mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3000转/每分钟的条件下旋涂1分钟。所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为105℃以及退火时间为20分钟。在所述步骤(4)中，在n型硅片背面依次旋涂ZnO纳米颗粒悬浮液和PEI溶液，其中，ZnO纳米颗粒悬浮液中ZnO的浓度为3mg/ml，PEI溶液中PEI的浓度为1.5mg/ml，旋涂的速度均为6000转/分钟，接着在130℃下进行退火30min的退火处理，以形成所述ZnO/PEI复合插入层。在所述步骤(5)中，通过磁控溅射法形成所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为250纳米。在所述步骤(6)和(7)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极的材质为铜，所述背面电极的材质为铝。
上述方法制备的黑硅太阳能电池的开路电压为0.59V，短路电流为30.5mA/cm2，填充因子为0.69，光电转换效率为12.4％。
实施例3
一种黑硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面黑硅层的制备；(2)黑硅层表面的钝化处理；(3)硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的制备，其包括：步骤3a，通过湿法转移法将硼掺杂石墨烯转移至黑硅层表面，步骤3b，接着旋涂Spiro-OMeTAD溶液，多次重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b，然后进行退火处理，以形成所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层；(4)n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；(5)在所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面制备ITO透明导电层；(6)正面电极的制备；(7)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。在所述步骤(3)中，重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b的次数为2次。在所述步骤3a中通过化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯，在所述步骤3b中Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为10mg/ml，旋涂的具体工艺为：在4000转/每分钟的条件下旋涂5分钟。所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为120℃以及退火时间为30分钟。在所述步骤(4)中，在n型硅片背面依次旋涂ZnO纳米颗粒悬浮液和PEI溶液，其中，ZnO纳米颗粒悬浮液中ZnO的浓度为1mg/ml，PEI溶液中PEI的浓度为0.5mg/ml，旋涂的速度均为4000转/分钟，接着在110℃下进行退火20min的退火处理，以形成所述ZnO/PEI复合插入层。在所述步骤(5)中，通过磁控溅射法形成所述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)和(7)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极的材质为银，所述背面电极的材质为铝。
上述方法制备的黑硅太阳能电池的开路电压为0.59V，短路电流为31.5mA/cm2，填充因子为0.68，光电转换效率为12.6％。
对比例：
为了突出本发明的黑硅太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种黑硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面黑硅层的制备；(2)黑硅层表面的钝化处理；(3)Spiro-OMeTAD层的制备：旋涂Spiro-OMeTAD溶液，然后进行退火处理，以形成Spiro-OMeTAD层；(4)在所述Spiro-OMeTAD层的表面制备PEDOT:PSS层；(5)正面电极的制备；(6)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。在所述步骤(3)中，Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为26mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3500转/每分钟的条件下旋涂3分钟。所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为110℃以及退火时间为25分钟。在所述步骤(4)中，所述PEDOT:PSS溶液的浓度为15mg/ml，旋涂PEDOT:PSS溶液的转速为2500转/每分钟，旋涂PEDOT:PSS溶液的时间为3分钟，所述退火处理的温度120℃，所述退火处理的时间为30分钟。在所述步骤(5)和(6)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极为银，所述背面电极的材质为铝。
该硅—Spiro-OMeTAD异质结光伏电池的开路电压为0.57V，短路电流为29.6mA/cm2，填充因子为0.61，光电转换效率为10.3％。
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 (10)
1.一种黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)n型硅片表面黑硅层的制备；
(2)黑硅层表面的钝化处理；
(3)硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的制备，其包括：步骤3a，通过湿法转移法将硼掺杂石墨烯转移至黑硅层表面，步骤3b，接着旋涂Spiro-OMeTAD溶液，多次重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b，然后进行退火处理，以形成所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层；
(4)n型硅片背面ZnO/PEI复合插入层的制备；
(5)在所述硼掺杂石墨烯/Spiro-OMeTAD复合活性层的表面制备ITO透明导电层；
(6)正面电极的制备；
(7)背面电极的制备。
2.根据权利要求1所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀或干法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层。
3.根据权利要求1所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中对所述黑硅层进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化所述黑硅层。
4.根据权利要求1所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，重复交替执行所述步骤3a和所述步骤3b的次数为2-5次。
5.根据权利要求4所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤3a中通过化学气相沉积法制备硼掺杂石墨烯，在所述步骤3b中Spiro-OMeTAD溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为5-10mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3000-4000转/每分钟的条件下旋涂1-5分钟。
6.根据权利要求5所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述退火处理的具体工艺为：在氮气气氛中，退火温度为100-120℃以及退火时间为20-30分钟。
7.根据权利要求1所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，在n型硅片背面依次旋涂ZnO纳米颗粒悬浮液和PEI溶液，其中，ZnO纳米颗粒悬浮液中ZnO的浓度为1-3mg/ml，PEI溶液中PEI的浓度为0.5-1.5mg/ml，旋涂的速度均为4000-6000转/分钟，接着在110-130℃下进行退火20-30min的退火处理，以形成所述ZnO/PEI复合插入层。
8.根据权利要求1所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，通过磁控溅射法形成所述ITO透明导电层，所述ITO透明导电层的厚度为150-250纳米。
9.根据权利要求1所述的黑硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(6)和(7)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极和所述背面电极，所述正面电极为栅电极，所述背面电极覆盖所述n型硅片的整个背表面，所述正面电极和所述背面电极的材质为钛、钯、银、铜、铝中的一种或多种。
10.一种黑硅太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的方法制备形成的。
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