CN108258124A - 一种异质结光伏电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种异质结光伏电池及其制备方法，所述异质结光伏电池的制备方法包括：n型硅片的清洗、在所述n型硅片的上表面制备金子塔结构绒面层、在所述金子塔结构绒面层中的金子塔结构的表面制备硅纳米线、对所述n型硅片进行钝化处理、硒化钼纳米颗粒/Spiro‑OMeTAD层的制备、PEDOT:PSS层的制备、正面银栅电极的制备以及背面铝电极的制备，其中在对所述n型硅片进行钝化处理的工序中选择旋涂含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液，并进行退火处理，以有效降低硅基底表面的缺陷态，提高相应异质结光伏电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及光电转换技术领域，特别是涉及一种异质结光伏电池及其制备方法。
背景技术
纵观太阳能电池发展的百年时间，出现了各种各样的太阳能电池，就太阳能电池的发展时间而言，可以将太阳能电池分为三个大类：第一代太阳能电池具体包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及非晶硅太阳能电池等硅太阳能电池；第二代太阳能电池具体包括非晶硅薄膜太阳能电池、砷化镓太阳能太阳能电池、碲化镉太阳能电池以及铜铟镓硒太阳能电池等薄膜太阳能电池；第三代太阳能电池具体包括染料敏化太阳能电池、纳米晶太阳能电池。有机太阳能电池、有机无机杂化太阳能电池以及钙钛矿太阳能电池等新型太阳能电池。
在有机无机杂化太阳能电池的制备过程中，硅基底表面的缺陷态导致电子空穴复合，进而大幅降低有机无机太阳能电池的光电转换效率，现有技术中为了减少硅基底表面的缺陷态，通常采用甲基化的方式在硅片表面形成Si-CH3键以钝化硅表面，一方面甲基化处理的硅片依然存在大量的缺陷态，另一方面甲基化处理的工艺较为复杂且甲基化处理的时间较长，无法进行大规模的应用。因此，针对上述技术问题，有必要改进硅片表面的钝化方式，以提高有机无机太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种异质结光伏电池及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：（1）n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10-15分钟，然后置入浓H2SO4/H2O2混合溶液中并加温至100-110℃保持50-70分钟，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，并用氮气吹干以备用；（2）在所述n型硅片的上表面制备金子塔结构绒面层：将步骤1得到的所述n型硅片置于NaOH和乙醇的混合溶液中，其中所述混合溶液中，所述NaOH的质量分数为4-5%，所述乙醇的体积分数为12-15%在80-90℃下刻蚀40-50分钟以得到所述金子塔结构绒面层，然后将所述n型硅片置于盐酸溶液中浸泡2-3小时，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，接着将所述n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，并用氮气吹干以备用；（3）在所述金子塔结构绒面层中的金子塔结构的表面制备硅纳米线：将步骤2得到的所述n型硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中所述硝酸银/氢氟酸混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，并在室温下刻蚀10-15分钟，将刻蚀过的所述n型硅片取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持50-60分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；（4）对所述n型硅片进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，接着在所述n型硅片的上表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟，接着在1500-2000转/分钟的条件下旋涂1-3分钟，并在300-400℃的温度下退火40-60分钟，以钝化所述n型硅片的上表面，然后在所述n型硅片的下表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟，接着在1500-2000转/分钟的条件下旋涂1-3分钟，并在300-400℃的温度下退火40-60分钟，以钝化所述n型硅片的下表面；（5）硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层的制备：在步骤4得到的n型硅片的上表面旋涂含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液，旋涂的转速为2000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，然后在氮气环境中，并在100-110℃的温度下退火5-10分钟，形成所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层；（6）PEDOT:PSS层的制备：在所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层表面旋涂PEDOT:PSS溶液；旋涂的转速为4000-5000转/分钟以及时间为1-4分钟，然后在氮气环境中，并在110-130℃的温度下退火20-30分钟，以形成所述PEDOT:PSS层；（7）正面银栅电极的制备；（8）背面铝电极的制备。
作为优选，在所述步骤1中，所述浓H2SO4/H2O2混合溶液中H2SO4与H2O2体积比为3：1。
作为优选，在所述步骤4中，所述含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液中氢氧化钾的浓度为0.2-0.5mg/ml，三乙醇铝的浓度为1-3mg/ml。
作为优选，在所述步骤5中，所述含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液中硒化钼纳米颗粒的浓度为1-2mg/ml，SPIRO-OMETAD的浓度为20-30mg/ml。
作为优选，所述PEDOT:PSS层的厚度为10-20nm。
作为优选，在所述步骤7中通过热蒸镀法形成所述正面银栅电极，所述正面银栅电极的厚度为150-250nm。
作为优选，在所述步骤8中通过热蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200-300nm。
本发明还提供了一种异质结光伏电池，所述异质结光伏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：
1、本发明通过在硅表面旋涂三乙醇铝，并通过退火的方式，使得三乙醇铝在硅表面与硅形成硅氧铝键，可以有效减少硅表面的缺陷态，以钝化硅片，同时通过滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟的方式，可以利用氢氧化钾对硅片的表面进行微刻蚀，进而使得三乙醇铝与硅片充分接触，并通过优化具体的工艺参数，使得在退火过程中可以高效钝化硅片，该方法简单易行，且可以有效降低硅基底表面的缺陷态，同时有效节约时间成本。
2、本发明采用金子塔结构绒面层与硅纳米线相结合的方式，有效提高光吸收的效率，同时金子塔结构以及金子塔结构表面的硅纳米线的存在，增大了硅与硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层的接触增加，有利于电子空穴对的分离及传输效率，同时硒化钼纳米颗粒的存在提高了Spiro-OMeTAD层的导电率，有效提高了空穴的传输效率，通过优化异质结光伏电池的结构以及各组分的具体含量，有效提高了异质结光伏电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的异质结光伏电池的结构示意图，
图2为本发明的金子塔结构绒面层中金子塔结构的示意图。
具体实施方式
本发明具体实施例提出的一种异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10-15分钟，然后置入浓H2SO4/H2O2混合溶液中并加温至100-110℃保持50-70分钟，所述浓H2SO4/H2O2混合溶液中H2SO4与H2O2体积比为3：1，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，并用氮气吹干以备用；
（2）在所述n型硅片的上表面制备金子塔结构绒面层：将步骤1得到的所述n型硅片置于NaOH和乙醇的混合溶液中，其中所述混合溶液中，所述NaOH的质量分数为4-5%，所述乙醇的体积分数为12-15%在80-90℃下刻蚀40-50分钟以得到所述金子塔结构绒面层，然后将所述n型硅片置于盐酸溶液中浸泡2-3小时，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，接着将所述n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，并用氮气吹干以备用；
（3）在所述金子塔结构绒面层中的金子塔结构的表面制备硅纳米线：将步骤2得到的所述n型硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中所述硝酸银/氢氟酸混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，并在室温下刻蚀10-15分钟，将刻蚀过的所述n型硅片取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持50-60分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
（4）对所述n型硅片进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，接着在所述n型硅片的上表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟，接着在1500-2000转/分钟的条件下旋涂1-3分钟，并在300-400℃的温度下退火40-60分钟，以钝化所述n型硅片的上表面，然后在所述n型硅片的下表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟，接着在1500-2000转/分钟的条件下旋涂1-3分钟，并在300-400℃的温度下退火40-60分钟，以钝化所述n型硅片的下表面，所述含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液中氢氧化钾的浓度为0.2-0.5mg/ml，三乙醇铝的浓度为1-3mg/ml；
（5）硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层的制备：在步骤4得到的n型硅片的上表面旋涂含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液，旋涂的转速为2000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，然后在氮气环境中，并在100-110℃的温度下退火5-10分钟，形成所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层，所述含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液中硒化钼纳米颗粒的浓度为1-2mg/ml，SPIRO-OMETAD的浓度为20-30mg/ml，所述硒化钼纳米颗粒的粒径为2-5nm；
（6）PEDOT:PSS层的制备：在所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层表面旋涂PEDOT:PSS溶液；旋涂的转速为4000-5000转/分钟以及时间为1-4分钟，然后在氮气环境中，并在110-130℃的温度下退火20-30分钟，以形成所述PEDOT:PSS层，所述PEDOT:PSS层的厚度为10-20nm；
（7）正面银栅电极的制备：通过热蒸镀法形成所述正面银栅电极，所述正面银栅电极的厚度为150-250nm；
（8）背面铝电极的制备：通过热蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200-300nm。
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、背面钝化层2、n型硅片3、金子塔结构绒面层4、前表面钝化层5、硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层6、PEDOT:PSS层7以及正面银栅电极8，其中所述金子塔结构绒面层4中包含多个金字塔结构41，且在每个金子塔结构41的表面具有多个呈陈列排布的硅纳米线42。
实施例1：
一种异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗12分钟，然后置入浓H2SO4/H2O2混合溶液中并加温至105℃保持60分钟，所述浓H2SO4/H2O2混合溶液中H2SO4与H2O2体积比为3：1，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，并用氮气吹干以备用；
（2）在所述n型硅片的上表面制备金子塔结构绒面层：将步骤1得到的所述n型硅片置于NaOH和乙醇的混合溶液中，其中所述混合溶液中，所述NaOH的质量分数为4.5%，所述乙醇的体积分数为12%在90℃下刻蚀45分钟以得到所述金子塔结构绒面层，然后将所述n型硅片置于盐酸溶液中浸泡3小时，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，接着将所述n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡8分钟，并用氮气吹干以备用；
（3）在所述金子塔结构绒面层中的金子塔结构的表面制备硅纳米线：将步骤2得到的所述n型硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中所述硝酸银/氢氟酸混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，并在室温下刻蚀12分钟，将刻蚀过的所述n型硅片取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持55分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
（4）对所述n型硅片进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡8分钟，接着在所述n型硅片的上表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置4分钟，接着在1800转/分钟的条件下旋涂2分钟，并在380℃的温度下退火50分钟，以钝化所述n型硅片的上表面，然后在所述n型硅片的下表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置4分钟，接着在1800转/分钟的条件下旋涂2分钟，并在380℃的温度下退火50分钟，以钝化所述n型硅片的下表面，所述含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液中氢氧化钾的浓度为0.4mg/ml，三乙醇铝的浓度为2mg/ml；
（5）硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层的制备：在步骤4得到的n型硅片的上表面旋涂含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液，旋涂的转速为3000转/分钟以及时间为3分钟，然后在氮气环境中，并在110℃的温度下退火10分钟，形成所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层，所述含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液中硒化钼纳米颗粒的浓度为1mg/ml，SPIRO-OMETAD的浓度为25mg/ml，所述硒化钼纳米颗粒的粒径为3nm；
（6）PEDOT:PSS层的制备：在所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层表面旋涂PEDOT:PSS溶液；旋涂的转速为4000转/分钟以及时间为3分钟，然后在氮气环境中，并在120℃的温度下退火25分钟，以形成所述PEDOT:PSS层, 所述PEDOT:PSS层的厚度为15nm；
（7）正面银栅电极的制备: 通过热蒸镀法形成所述正面银栅电极，所述正面银栅电极的厚度为200nm；
（8）背面铝电极的制备: 通过热蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为220nm。
该太阳能电池的开路电压为0.64V，短路电流为33.5mA/cm2，填充因子为0.74，光电转换效率为15.9%。
实施例2
一种异质结光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
（1）n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15分钟，然后置入浓H2SO4/H2O2混合溶液中并加温至110℃保持50分钟，所述浓H2SO4/H2O2混合溶液中H2SO4与H2O2体积比为3：1，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，并用氮气吹干以备用；
（2）在所述n型硅片的上表面制备金子塔结构绒面层：将步骤1得到的所述n型硅片置于NaOH和乙醇的混合溶液中，其中所述混合溶液中，所述NaOH的质量分数为4%，所述乙醇的体积分数为15%在85℃下刻蚀50分钟以得到所述金子塔结构绒面层，然后将所述n型硅片置于盐酸溶液中浸泡2.5小时，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，接着将所述n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡10分钟，并用氮气吹干以备用；
（3）在所述金子塔结构绒面层中的金子塔结构的表面制备硅纳米线：将步骤2得到的所述n型硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中所述硝酸银/氢氟酸混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，并在室温下刻蚀10分钟，将刻蚀过的所述n型硅片取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持50分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
（4）对所述n型硅片进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡10分钟，接着在所述n型硅片的上表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2分钟，接着在2000转/分钟的条件下旋涂1分钟，并在350℃的温度下退火60分钟，以钝化所述n型硅片的上表面，然后在所述n型硅片的下表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2分钟，接着在2000转/分钟的条件下旋涂1分钟，并在350℃的温度下退火60分钟，以钝化所述n型硅片的下表面，所述含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液中氢氧化钾的浓度为0.2mg/ml，三乙醇铝的浓度为3mg/ml；
（5）硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层的制备：在步骤4得到的n型硅片的上表面旋涂含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液，旋涂的转速为3500转/分钟以及时间为2分钟，然后在氮气环境中，并在105℃的温度下退火10分钟，形成所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层，所述含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液中硒化钼纳米颗粒的浓度为2mg/ml，SPIRO-OMETAD的浓度为20mg/ml，所述硒化钼纳米颗粒的粒径为4nm；
（6）PEDOT:PSS层的制备：在所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层表面旋涂PEDOT:PSS溶液；旋涂的转速为5000转/分钟以及时间为4分钟，然后在氮气环境中，并在130℃的温度下退火30分钟，以形成所述PEDOT:PSS层, 所述PEDOT:PSS层的厚度为12nm；
（7）正面银栅电极的制备: 通过热蒸镀法形成所述正面银栅电极，所述正面银栅电极的厚度为150nm；
（8）背面铝电极的制备: 通过热蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200nm。
该太阳能电池的开路电压为0.61V，短路电流为31.7mA/cm2，填充因子为0.76，光电转换效率为14.7%。
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)
1.一种异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）n型硅片的清洗：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10-15分钟，然后置入浓H2SO4/H2O2混合溶液中并加温至100-110℃保持50-70分钟，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，并用氮气吹干以备用；
（2）在所述n型硅片的上表面制备金子塔结构绒面层：将步骤1得到的所述n型硅片置于NaOH和乙醇的混合溶液中，其中所述混合溶液中，所述NaOH的质量分数为4-5%，所述乙醇的体积分数为12-15%在80-90℃下刻蚀40-50分钟以得到所述金子塔结构绒面层，然后将所述n型硅片置于盐酸溶液中浸泡2-3小时，接着用去离子水冲洗所述n型硅片，接着将所述n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，并用氮气吹干以备用
（3）在所述金子塔结构绒面层中的金子塔结构的表面制备硅纳米线：将步骤2得到的所述n型硅片置于硝酸银/氢氟酸混合溶液中，其中所述硝酸银/氢氟酸混合溶液中氢氟酸的摩尔浓度为4.8mol/l，硝酸银的摩尔浓度为0.02mol/l，并在室温下刻蚀10-15分钟，将刻蚀过的所述n型硅片取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持50-60分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
（4）对所述n型硅片进行钝化处理：将步骤2得到n型硅片在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，接着在所述n型硅片的上表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟，接着在1500-2000转/分钟的条件下旋涂1-3分钟，并在300-400℃的温度下退火40-60分钟，以钝化所述n型硅片的上表面，然后在所述n型硅片的下表面滴加含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液并静置2-5分钟，接着在1500-2000转/分钟的条件下旋涂1-3分钟，并在300-400℃的温度下退火40-60分钟，以钝化所述n型硅片的下表面；
（5）硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层的制备：在步骤4得到的n型硅片的上表面旋涂含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液，旋涂的转速为2000-4000转/分钟以及时间为1-5分钟，然后在氮气环境中，并在100-110℃的温度下退火5-10分钟，形成所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层；
（6）PEDOT:PSS层的制备：在所述硒化钼纳米颗粒/Spiro-OMeTAD层表面旋涂PEDOT:PSS溶液；旋涂的转速为4000-5000转/分钟以及时间为1-4分钟，然后在氮气环境中，并在110-130℃的温度下退火20-30分钟，以形成所述PEDOT:PSS层；
（7）正面银栅电极的制备；
（8）背面铝电极的制备。
2.根据权利要求1所述的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，所述浓H2SO4/H2O2混合溶液中H2SO4与H2O2体积比为3：1。
3.根据权利要求1所述的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤4中，所述含有氢氧化钾和三乙醇铝的混合溶液中氢氧化钾的浓度为0.2-0.5mg/ml，三乙醇铝的浓度为1-3mg/ml。
4.根据权利要求4所述的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤5中，所述含有硒化钼纳米颗粒的Spiro-OMeTAD溶液中硒化钼纳米颗粒的浓度为1-2mg/ml，SPIRO-OMETAD的浓度为20-30mg/ml。
5.根据权利要求1所述的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：所述PEDOT:PSS层的厚度为10-20nm。
6.根据权利要求1所述的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤7中通过热蒸镀法形成所述正面银栅电极，所述正面银栅电极的厚度为150-250nm。
7.根据权利要求1所述的异质结光伏电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤8中通过热蒸镀法形成所述背面铝电极，所述背面铝电极的厚度为200-300nm。
8.一种异质结光伏电池，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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