CN108258122A - 一种透明导电材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种透明导电材料及其制备方法，以硅片为基材，在硅片上旋涂有一层聚(3，4‑乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液，且该溶液中掺杂一定体积比的二甲基亚砜；其中：聚(3，4‑乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的体积比为1:20，两者混合后形成质量分数大于97%的水溶液；聚(3，4‑乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液与二甲基亚砜的体积比为100:5。本发明利用PEDOT:PSS代替ITO并作为空穴传输层，不仅具有较高的电导率和透光率，而且只需要通过旋涂法就可以制备PEDOT:PSS薄膜，可以获得较高转换效率的太阳能电池。

Description

一种透明导电材料及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳能发电技术领域，尤其是涉及一种透明导电材料及其制备方法。

背景技术

透明导电氧化物薄膜(TCO)具有电阻率低、可见光透过率高等优点，被广泛应用于薄膜太阳电池的减反射层和前电极，TCO性能的优劣会对薄膜太阳电池的性能产生直接影响。目前最具代表性的TCO是锡掺杂氧化铟ITO。ITO具有体心立方铁锰矿结构，是一种重掺杂、高简并的n型半导体材料，由于其具有导电性能好(电导率约为104S/cm)、可见光透过率高(大于85％)等优良的光电特性而广泛应用于太阳能电池的面电极。制备ITO薄膜的方法有很多种，目前工业上应用较广的镀膜方法是磁控溅射法，这种方法的主要缺点是所需设备需要高压或大功率直流电源，在沉积过程中需要调节溅射气体流量、压强和对衬底加热，工艺比较复杂；其次，该法的影响因素较多，尤其是ITO靶材质量的影响，要获得高性能的ITO薄膜，必须有高质量的ITO靶材。

结构最简单的传统单晶硅太阳能电池如图1所示，在一块n型(或p型，本发明以n型硅片为衬底)的半导体单晶c-Si(n)上，用适当的工艺方法(如等离子体化学气相沉积法)沉积p型(或n型)非晶硅a-Si(p)，然后在上表面镀一层ITO薄膜，最后在硅片正反两侧分别镀上Ag金属栅线电极和全Al背金属电极，形成一个最简单的太阳能电池。这种方法在制备pn结以及制备ITO薄膜过程中需要大型仪器设备和复杂的工艺手段，且耗时长，能耗高。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明提出的技术方案是这样的：

一种透明导电材料，以硅片为基材，其特征在于：硅片上旋涂有一层聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液，且该溶液中掺杂一定体积比的二甲基亚砜；其中：聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的体积比为1:20，两者混合后形成质量分数大于97％的水溶液；聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液与二甲基亚砜的体积比为100:5。

本发明提出的另一个技术方案是这样的：

一种透明导电材料的制备方法，包括如下步骤：

1)准备作为基材的硅片；

2)配制聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液：取体积比为1:20的聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐，分散在水中，形成质量分数大于97％的水溶液；

3)将步骤2)所得的溶液与二甲基亚砜配制成体积比为100:5的混合溶液；

4)在步骤3)所得的混合溶液中加入0.1-0.2％的粘稠剂，震荡摇匀；

5)清洁硅片基材，将步骤4)所得的溶液旋涂在硅片上，厚度为30nm，再置于热台上140℃条件下退火10min；

6)用真空蒸发镀膜机在1E-5Pa的条件下分别在上表面、下表面蒸镀100nm的Ag栅电极和100nm全Al背电极。

本发明中，聚(3，4-乙撑二氧噻吩)简称PEDOT，其结构式如式I所示，其中1000＜n＜100000；聚苯乙烯磺酸盐简称PSS，其结构式如式II所示，其中1000＜n＜100000；二甲基亚砜简称DMSO。在本发明中，只需要在清洗好后的n型单抛硅片上，利用旋涂机旋涂一层掺DMSO的PEDOT:PSS薄层，最后在前表面和背表面利用真空蒸发镀膜机蒸镀金属电极。

利用太阳光模拟器和IV测试仪测得此结构的太阳能电池有最高11％的转换效率，开路电压0.53V，短路电流29.6mA/cm²。通过在玻璃上以相同参数旋涂这种有机物薄层，测得其电导率为1960S/cm，在可见光范围薄膜的平均透过率为84％。这是因为，PEDOT:PSS薄膜作为阳极发射层不仅可以具有ITO的高电导率和高透光率的特性，还能够传输空穴，阻挡电子。然而，PEDOT:PSS薄膜的电导率较低(通常不超过1S/cm)，通过掺杂一定体积分数的DMSO使PEDOT:PSS薄膜粗糙度大大降低，在PEDOT富集区和PSS富集区相分离变小，两相区势垒降低，进而使得载流子更容易传输，电导率增加。

利用PEDOT:PSS代替ITO并作为空穴传输层的优点主要为：

1.具有较高的电导率和透光率；

2.只需要通过旋涂法就可以制备PEDOT:PSS薄膜；

3.可以获得较高转换效率的太阳能电池。

附图说明

图1是现有技术中典型的太阳能电池结构图；

图2是本发明所得的太阳能电池结构图。

具体实施方式

本实施例所述的透明导电材料的制备方法，包括如下步骤：

1)准备如下材料与试剂：

a.N型单抛硅片，电阻率0.05-0.2Ω·cm，晶向100，厚525um；

b.PEDOT:PSS(PEDOT本身不溶于绝大多数溶剂，但是通过一定比例的PSS掺杂可以形成稳定的悬浮液PEDOT:PSS分散在水溶液中，根据PEDOT:PSS固态物含量和PSS添加比例的不同，不同型号的PEDOT:PSS表现出不同的导电性，本专利用到的型号为CH8000，其体积比PEDOT/PSS为1:20，PEDOT:PSS＞97wt％，1-3wt％H₂O)；

c.DMSO(＞99.9wt％)；

d.曲拉通X-100，即辛基苯基聚氧乙烯醚，分子式C₃₄H₆₂O₁₁，一种浅色粘稠状液体，非离子表面活性剂。

2)PEDOT:PSS薄膜与太阳电池的制备：

配制PEDOT:PSS与DMSO的体积比为100:5的(不同体积比的DMSO会影响PEDOT:PSS的导电性，本实验中发现PEDOT:PSS与DMSO的体积比为100:5会使PEDOT:PSS有最大电导率)的混合溶液，

并滴加0.1％的粘稠剂曲拉通X-100使液体有较好的附着性，振荡摇匀形成共混溶液。将准备好的n型硅片用丙酮、乙醇、去离子水分别超声清洗并吹干，再将配制好的PEDOT:PSS溶液旋涂在硅片上，厚度约为30nm，再置于热台上140℃条件下退火10min。最后用真空蒸发镀膜机在1E-5Pa的条件下分别在上表面、下表面蒸镀100nm的Ag栅电极和100nm全Al背电极，其结构如图2所示。

利用本方法制备的太阳能电池有11％的最高转换效率，制备的透明导电空穴传输层PEDOT:PSS的电导率为1960S/cm，薄膜平均透光率为84％。相比传统的利用等离子体化学气象沉积法制得的掺杂a-Si和采用磁控溅射沉积的ITO，大大简化了工艺环节和节省了大量时间。

Claims (2)

1.一种透明导电材料，以硅片为基材，其特征在于：硅片上旋涂有一层聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液，且该溶液中掺杂一定体积比的二甲基亚砜；其中：聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐的体积比为1:20，两者混合后形成质量分数大于97％的水溶液；聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液与二甲基亚砜的体积比为100:5。

2.一种权利要求1所述透明导电材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)准备作为基材的硅片；

2)配制聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐溶液：取体积比为1:20的聚(3，4-乙撑二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐，分散在水中，形成质量分数大于97％的水溶液；

3)将步骤2)所得的溶液与二甲基亚砜配制成体积比为100:5的混合溶液；

4)在步骤3)所得的混合溶液中加入0.1-0.2％的粘稠剂，震荡摇匀；

5)清洁硅片基材，将步骤4)所得的溶液旋涂在硅片上，厚度为30nm，再置于热台上140℃条件下退火10min；

6)用真空蒸发镀膜机在1E-5Pa的条件下分别在上表面、下表面蒸镀100nm的Ag栅电极和100nm全Al背电极。