CN108172686B - 一种硅光伏电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅光伏电池及其制备方法，所述硅光伏电池的制备方法包括：n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；将含有绝缘纳米颗粒和Spiro‑OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于n型硅片上，并进行退火处理；接着将PEDOT:PSS溶液旋涂于n型硅片上，并进行退火处理，正面电极的制备；n型硅片背面8‑羟基喹啉‑锂/氟化锂复合界面层的制备；背面铝电极的制备。通过旋涂含有绝缘纳米颗粒和Spiro‑OMeTAD的氯苯溶液，在形成Spiro‑OMeTAD层的同时，绝缘纳米颗粒将沉积于n型硅片表面，有效减少n型硅片表面的缺陷态，降低硅光伏电池的表面复合速率，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种硅光伏电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种硅光伏电池及其制备方法。
背景技术
单晶硅、砷化镓、铜铟镓硒等无机太阳能电池因其造价过于昂贵，而无法进行大规模的使用。有机太阳能电池由于其原材料便宜、制造工艺简单、成本低、柔性好等优势而引起人们的关注，并在近年来得到快速的发展，然而有机太阳能电池最大的缺陷就是其光电转换效率远低于无机太阳能电池。因此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。然而现有的有机无机杂化太阳能电池的制备过程中，需要首先对硅基底的表面进行钝化处理，然后再进行空穴传输层的制备，上述工艺较为复杂，进而增加了制造成本，且钝化效果不理想，导致该有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率较低。
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，本发明提出的一种硅光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；(2)将含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；(3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层的制备；(6)背面铝电极的制备。
作为优选，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀或干法刻蚀在n型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。
作为优选，在所述步骤(2)中，所述氯苯溶液中绝缘纳米颗粒的浓度为0.2-0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为20-30mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000-3000转/每分钟的条件下旋涂1-2分钟，接着在4000-6000转/每分钟的条件下旋涂3-5分钟。
作为优选，在所述步骤(2)中，所述绝缘纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒、氮化硅纳米颗粒或氧化铝纳米颗粒中的一种。
作为优选，在所述步骤(3)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为10-15mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000-2500转/每分钟的条件下旋涂1-3分钟。
作为优选，所述步骤(2)中的退火处理的退火温度为100-120℃以及退火时间为5-15分钟；所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120-130℃，退火时间15-25分钟。
作为优选，在所述步骤(5)中，采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为1-3埃米/秒以及时间为2-8秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀8-羟基喹啉-锂，真空蒸镀法制备8-羟基喹啉-锂的速率为1-4埃米/秒以及时间为2-10秒。
作为优选，在所述步骤(4)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为150-250纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200-400纳米。
本发明还提供了一种硅光伏电池，所述硅光伏电池为采用上述方法制备形成的硅光伏电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的硅光伏电池的制备方法中，通过旋涂含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，在旋涂过程中，绝缘纳米颗粒沉降于硅片表面以钝化硅纳米线表面的缺陷态，进而有效避免电子空穴的复合，同时利用该方法制备硅光伏电池的过程中，有效省略单独进行硅片表面钝化处理的工序，进而简化了硅光伏电池的制备工序。同时在背面铝电极和硅片之间加入8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层，该界面层有效改善背面电极的功函数，改善背面电极与硅片之间的接触性能，提高太阳能电池的内建电势进而减少电子空穴的复合，提高太阳能电池的光电转换效率。
利用本发明的方法形成Spiro-OMeTAD层过程中，选择退火处理包括两个阶段，改善Spiro-OMeTAD层的薄膜性能，改善Spiro-OMeTAD层的电导率，进而便于电子空穴对的分离与传输。同时采用真空蒸镀法在硅片背面依次沉积氟化锂和8-羟基喹啉-锂，在同一设备中完成两种材料的沉积，并通过调节各项工艺参数，得到高质量的8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层，有效降低背面电极的功函数，改善背面电极与硅片之间的接触性能，提高太阳能电池的内建电势进而减少电子空穴的复合，提高硅光伏电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的硅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硅光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；(2)将含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；(3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层的制备；(6)背面铝电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀或干法刻蚀在n型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。在所述步骤(2)中，所述氯苯溶液中绝缘纳米颗粒的浓度为0.2-0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为20-30mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000-3000转/每分钟的条件下旋涂1-2分钟，接着在4000-6000转/每分钟的条件下旋涂3-5分钟。在所述步骤(2)中，所述绝缘纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒、氮化硅纳米颗粒或氧化铝纳米颗粒中的一种。在所述步骤(3)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为10-15mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000-2500转/每分钟的条件下旋涂1-3分钟。所述步骤(2)中的退火处理的退火温度为100-120℃以及退火时间为5-15分钟；所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120-130℃，退火时间15-25分钟。在所述步骤(5)中，采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为1-3埃米/秒以及时间为2-8秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀8-羟基喹啉-锂，真空蒸镀法制备8-羟基喹啉-锂的速率为1-4埃米/秒以及时间为2-10秒。在所述步骤(4)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为150-250纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200-400纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的硅光伏电池，所述硅光伏电池从下至上包括背面铝电极1、8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层2、n型硅片3、硅纳米线阵列4、Spiro-OMeTAD层5、PEDOT:PSS层6以及正面电极7。
实施例1：
一种硅光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；(2)将含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；(3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层的制备；(6)背面铝电极的制备
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。在所述步骤(2)中，所述氯苯溶液中绝缘纳米颗粒的浓度为0.5mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为25mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2500转/每分钟的条件下旋涂2分钟，接着在5000转/每分钟的条件下旋涂4分钟。在所述步骤(2)中，所述绝缘纳米颗粒为氮化硅纳米颗粒。在所述步骤(3)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为12mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2200转/每分钟的条件下旋涂2分钟。所述步骤(2)中的退火处理的退火温度为110℃以及退火时间为10分钟；所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为125℃，退火时间20分钟。在所述步骤(5)中，采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为2埃米/秒以及时间为5秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀8-羟基喹啉-锂，真空蒸镀法制备8-羟基喹啉-锂的速率为3埃米/秒以及时间为5秒。在所述步骤(4)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为200纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为300纳米。
该硅光伏电池的开路电压为0.57V，短路电流为32.7mA/cm2，填充因子为0.62，光电转换效率为11.6％
实施例2
一种硅光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；(2)将含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；(3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层的制备；(6)背面铝电极的制备
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。在所述步骤(2)中，所述氯苯溶液中绝缘纳米颗粒的浓度为0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为20mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3000转/每分钟的条件下旋涂2分钟，接着在6000转/每分钟的条件下旋涂5分钟。在所述步骤(2)中，所述绝缘纳米颗粒为氧化铝纳米颗粒。在所述步骤(3)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为15mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2500转/每分钟的条件下旋涂3分钟。所述步骤(2)中的退火处理的退火温度为120℃以及退火时间为15分钟；所述步骤(3)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，采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为1埃米/秒以及时间为8秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀8-羟基喹啉-锂，真空蒸镀法制备8-羟基喹啉-锂的速率为4埃米/秒以及时间为3秒。在所述步骤(4)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为150纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200纳米。
该硅光伏电池的开路电压为0.56V，短路电流为31.3mA/cm2，填充因子为0.59，光电转换效率为10.3％
实施例3
一种硅光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；(2)将含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；(3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层的制备；(6)背面铝电极的制备
其中，在所述步骤(1)中通过干法刻蚀在n型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。在所述步骤(2)中，所述氯苯溶液中绝缘纳米颗粒的浓度为0.2mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为30mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000转/每分钟的条件下旋涂1分钟，接着在4000转/每分钟的条件下旋涂3分钟。在所述步骤(2)中，所述绝缘纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒、氮化硅纳米颗粒或氧化铝纳米颗粒中的一种。在所述步骤(3)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为10mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000转/每分钟的条件下旋涂2分钟。所述步骤(2)中的退火处理的退火温度为100℃以及退火时间为5分钟；所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120℃，退火时间15分钟。在所述步骤(5)中，采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为3埃米/秒以及时间为6秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀8-羟基喹啉-锂，真空蒸镀法制备8-羟基喹啉-锂的速率为1埃米/秒以及时间为2秒。在所述步骤(4)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为250纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为400纳米。
该硅光伏电池的开路电压为0.56V，短路电流为29.5mA/cm2，填充因子为0.58，光电转换效率为9.6％
对比例：
为了突出本发明的硅光伏电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种硅光伏电池的制备方法，包括以下步骤：(1)n型硅片表面硅纳米线阵列的制备；(2)n型硅片表面的甲基化钝化处理；(3)将Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；(4)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；(5)正面电极的制备；(6)背面铝电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。在所述步骤(3)中，所述氯苯溶液中Spiro-OMeTAD的浓度为25mg/ml，旋涂的具体工艺为：在3500转/每分钟的条件下旋涂4分钟。在所述步骤(4)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为12mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2200转/每分钟的条件下旋涂2分钟。所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为110℃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125℃，退火时间20分钟。在所述步骤(5)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为200纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为300纳米。
该硅光伏电池的开路电压为0.56V，短路电流为31.5mA/cm2，填充因子为0.54，光电转换效率为9.5％。
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型硅片表面硅纳米线阵列的制备；
(2)将含有绝缘纳米颗粒和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液通过旋涂法旋涂于所述n型硅片的所述硅纳米线阵列上，并进行退火处理；
(3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，并进行退火处理；
(4)正面电极的制备；
(5)n型硅片背面8-羟基喹啉-锂/氟化锂复合界面层的制备；
(6)背面铝电极的制备；
其中，在所述步骤(2)中，所述氯苯溶液中绝缘纳米颗粒的浓度为0.2-0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为20-30mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000-3000转/每分钟的条件下旋涂1-2分钟，接着在4000-6000转/每分钟的条件下旋涂3-5分钟；
其中，所述步骤(2)中的退火处理的退火温度为100-120℃以及退火时间为5-15分钟。
2.根据权利要求1所述的硅光伏电池的制备方法，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型硅片表面形成硅纳米线阵列，接着浸入氢氟酸溶液中去除硅纳米线表面的自然氧化层。
3.根据权利要求1所述的硅光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所述绝缘纳米颗粒为二氧化硅纳米颗粒、氮化硅纳米颗粒或氧化铝纳米颗粒中的一种。
4.根据权利要求1所述的硅光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，PEDOT:PSS溶液中PEDOT:PSS的浓度为10-15mg/ml，旋涂的具体工艺为：在2000-2500转/每分钟的条件下旋涂1-3分钟。
5.根据权利要求1所述的硅光伏电池的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中的退火处理的退火温度为120-130℃，退火时间15-25分钟。
6.根据权利要求1所述的硅光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为1-3埃米/秒以及时间为2-8秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面蒸镀8-羟基喹啉-锂，真空蒸镀法制备8-羟基喹啉-锂的速率为1-4埃米/秒以及时间为2-10秒。
7.根据权利要求1所述的硅光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，通过真空蒸镀法形成所述正面电极，所述正面电极为银栅电极，所述正面电极的厚度为150-250纳米，在所述步骤(6)中，通过真空蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200-400纳米。
8.一种硅光伏电池，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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