CN108232024A - 一种太阳能电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池的制备方法包括：n型硅片表面黑硅层的制备；黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备；正面电极的制备；n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；背面铝电极的制备。通过制备高电导率P3HT层和氧化锌/氟化锂复合插入层，同时改善空穴和电子的传输性能，进而提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种太阳能电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种太阳能电池的制备方法。
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中常用的空穴传输层的材料是P3HT，由于P3HT的载流子迁移较低，导致相应的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，提供一种太阳能电池的制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种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)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；(3)铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面依次旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜、旋涂P3HT、蒸镀金属铜、旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜，接着进行退火处理，以形成所述高电导率P3HT层；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；(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型硅片表面形成黑硅层。
作为优选，在所述步骤(2)中通过旋涂法或化学气相沉积法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为PZT、BFO和BST中的一种，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为0.5-2纳米。
作为优选，在所述步骤(3)中，每次旋涂的P3HT溶液的浓度为0.5-1.5mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为2500-3500转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1-4分钟，每次蒸镀金属铜的工序中，每次蒸镀金属铜的速率均为1-3埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为3-10秒。
作为优选，在所述步骤(4)中，所述退火处理的具体工艺为：在惰性气氛中，以20-30℃/min升温至100-120℃，保持5-10分钟，接着以10-15℃/min升温至140-160℃，保持20-30分钟，接着以15-25℃/min降温至室温。
作为优选，在所述步骤(4)中，通过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80-200纳米。
作为优选，在所述步骤(5)中，采用磁控溅射法在所述n型硅片背面形成氧化锌，磁控溅射氧化锌的速率为2-6埃米/秒，磁控溅射氧化锌的时间为5-10秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面形成氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为0.5-2埃米/秒以及时间为3-8秒。
作为优选，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100-300纳米。
本发明还提供了一种太阳能电池，所述太阳能电池为采用上述方法制备形成的太阳能电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的太阳能电池中，通过在P3HT层中添加微量的金属铜，改善了P3HT层的导电性能，进而便于空穴的传输，同时在背面铝电极和硅片之间加入氧化锌/氟化锂复合插入层，该插入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高电导率P3HT层的过程中，采用旋涂P3HT溶液和蒸镀金属铜交替进行，接着进行渐进式退火方式，并通过优化具体的工艺参数，有效控制金属铜在P3HT层中含量，以有效提高P3HT层的电导率，同时采用磁控溅射和真空蒸镀法在硅片背面形成新型的背面插入层，并通过调节各项工艺参数，得到高性能的氧化锌/氟化锂复合插入层，进而提高太阳能电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的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)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；(3)铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面依次旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜、旋涂P3HT、蒸镀金属铜、旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜，接着进行退火处理，以形成所述高电导率P3HT层；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；(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型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中通过旋涂法或化学气相沉积法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为PZT、BFO和BST中的一种，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为0.5-2纳米。在所述步骤(3)中，每次旋涂的P3HT溶液的浓度为0.5-1.5mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为2500-3500转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1-4分钟，每次蒸镀金属铜的工序中，每次蒸镀金属铜的速率均为1-3埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为3-10秒。在所述步骤(4)中，所述退火处理的具体工艺为：在惰性气氛中，以20-30℃/min升温至100-120℃，保持5-10分钟，接着以10-15℃/min升温至140-160℃，保持20-30分钟，接着以15-25℃/min降温至室温。在所述步骤(4)中，通过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80-200纳米。在所述步骤(5)中，采用磁控溅射法在所述n型硅片背面形成氧化锌，磁控溅射氧化锌的速率为2-6埃米/秒，磁控溅射氧化锌的时间为5-10秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面形成氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为0.5-2埃米/秒以及时间为3-8秒。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100-300纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的太阳能电池，所述太阳能电池从下至上包括背面铝电极1、氧化锌/氟化锂复合插入层2、n型硅片3、黑硅层4、铁电材料钝化薄膜5、高电导率P3HT层6以及正面电极7。
实施例1：
一种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)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；(3)铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面依次旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜、旋涂P3HT、蒸镀金属铜、旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜，接着进行退火处理，以形成所述高电导率P3HT层；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；(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型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中通过化学气相沉积法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为PZT，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为1.5纳米。在所述步骤(3)中，每次旋涂的P3HT溶液的浓度为1mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为3000转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为3分钟，每次蒸镀金属铜的工序中，每次蒸镀金属铜的速率均为2埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为4秒。在所述步骤(4)中，所述退火处理的具体工艺为：在惰性气氛中，以25℃/min升温至100℃，保持6分钟，接着以10℃/min升温至140℃，保持20分钟，接着以20℃/min降温至室温。在所述步骤(4)中，通过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(5)中，采用磁控溅射法在所述n型硅片背面形成氧化锌，磁控溅射氧化锌的速率为2埃米/秒，磁控溅射氧化锌的时间为5秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面形成氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为1埃米/秒以及时间为5秒。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。
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0.61V，短路电流为35.5mA/cm2，填充因子为0.62，光电转换效率为13.4％。
实施例2
一种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)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；(3)铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面依次旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜、旋涂P3HT、蒸镀金属铜、旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜，接着进行退火处理，以形成所述高电导率P3HT层；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；(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型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中通过化学气相沉积法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为BFO，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为1纳米。在所述步骤(3)中，每次旋涂的P3HT溶液的浓度为0.5mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为2500转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为2分钟，每次蒸镀金属铜的工序中，每次蒸镀金属铜的速率均为3埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为5秒。在所述步骤(4)中，所述退火处理的具体工艺为：在惰性气氛中，以30℃/min升温至120℃，保持7分钟，接着以15℃/min升温至150℃，保持30分钟，接着以25℃/min降温至室温。在所述步骤(4)中，通过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(5)中，采用磁控溅射法在所述n型硅片背面形成氧化锌，磁控溅射氧化锌的速率为4埃米/秒，磁控溅射氧化锌的时间为6秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面形成氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为0.5埃米/秒以及时间为8秒。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。
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0.59V，短路电流为34.5mA/cm2，填充因子为0.59，光电转换效率为12％。
实施例3
一种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)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；(3)铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面依次旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜、旋涂P3HT、蒸镀金属铜、旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜，接着进行退火处理，以形成所述高电导率P3HT层；(4)正面电极的制备；(5)n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；(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型硅片表面形成黑硅层。在所述步骤(2)中通过旋涂法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为BST，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为2纳米。在所述步骤(3)中，每次旋涂的P3HT溶液的浓度为1.5mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为3500转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为4分钟，每次蒸镀金属铜的工序中，每次蒸镀金属铜的速率均为3埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为7秒。在所述步骤(4)中，所述退火处理的具体工艺为：在惰性气氛中，以20℃/min升温至110℃，保持10分钟，接着以15℃/min升温至140℃，保持25分钟，接着以20℃/min降温至室温。在所述步骤(4)中，通过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(5)中，采用磁控溅射法在所述n型硅片背面形成氧化锌，磁控溅射氧化锌的速率为5埃米/秒，磁控溅射氧化锌的时间为6秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面形成氟化锂，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。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100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33mA/cm2，填充因子为0.6，光电转换效率为11.3％。
对比例：
为了突出本发明的太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种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：通过湿法刻蚀在n型硅片表面形成黑硅层；(2)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备：通过化学气相沉积法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为PZT，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为1.5纳米；(3)铁电材料钝化薄膜表面P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂P3HT溶液，接着进行退火处理，以形成所述P3HT层，其中，旋涂的P3HT溶液的浓度为8mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为3000转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为3分钟，所述退火处理的具体工艺为：在150℃下保持30分钟；(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，其中退火处理的退火温度为110℃，退火时间15分钟；(5)正面电极的制备：通过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；(6)背面铝电极的制备：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。
该太阳能电池的开路电压为0.54V，短路电流为34.5mA/cm2，填充因子为0.58，光电转换效率为10.8％。
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)黑硅层表面铁电材料钝化薄膜的制备；
(3)铁电材料钝化薄膜表面高电导率P3HT层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面依次旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜、旋涂P3HT、蒸镀金属铜、旋涂P3HT溶液、蒸镀金属铜，接着进行退火处理，以形成所述高电导率P3HT层；
(4)正面电极的制备；
(5)n型硅片背面氧化锌/氟化锂复合插入层的制备；
(6)背面铝电极的制备。
2.根据权利要求1所述的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所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中通过旋涂法或化学气相沉积法形成所述铁电材料钝化薄膜，所述铁电材料钝化薄膜的材质为PZT、BFO和BST中的一种，所述铁电材料钝化薄膜的厚度为0.5-2纳米。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，每次旋涂的P3HT溶液的浓度为0.5-1.5mg/ml，旋涂P3HT溶液的转速为2500-3500转/每分钟，旋涂P3HT溶液的时间为1-4分钟，每次蒸镀金属铜的工序中，每次蒸镀金属铜的速率均为1-3埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为3-10秒。
5.根据权利要求4所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所述退火处理的具体工艺为：在惰性气氛中，以20-30℃/min升温至100-120℃，保持5-10分钟，接着以10-15℃/min升温至140-160℃，保持20-30分钟，接着以15-25℃/min降温至室温。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，通过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80-200纳米。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，采用磁控溅射法在所述n型硅片背面形成氧化锌，磁控溅射氧化锌的速率为2-6埃米/秒，磁控溅射氧化锌的时间为5-10秒，接着采用真空蒸镀法在所述n型硅片背面形成氟化锂，真空蒸镀法制备氟化锂的速率为0.5-2埃米/秒以及时间为3-8秒。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：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100-300纳米。
9.一种太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的方法制备形成的。
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