CN108336181B - 一种太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了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型硅基底的清洗、在所述n型硅基底的上表面制备硅纳米线阵列、对所述n型硅基底进行钝化处理、硫化钴纳米线/P3HT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型硅基底进行钝化处理的工序中选择旋涂含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液，并进行退火处理，以有效降低硅基底表面的缺陷态，提高相应太阳能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，特别是涉及一种太阳能电池及其制备方法。
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，本发明提出的一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：步骤1：n型硅基底的清洗：将n型硅片切割成尺寸为3 cm×3 cm的n型硅基底，接着将所述n型硅基底依次在丙酮、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型硅基底，并用氮气吹干以备用；步骤2：在所述n型硅基底的上表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的所述n型硅基底置于硝酸银/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10-30分钟，将刻蚀过的所述n型硅基底取出后，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；步骤3：对所述n型硅基底进行钝化处理：将步骤2得到n型硅基底在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，接着在所述n型硅基底的上表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置3-6分钟，接着在2000-2500转/分钟的条件下旋涂2-5分钟，并在200-400℃的温度下退火30-60分钟，以钝化所述n型硅基底的上表面，然后在所述n型硅基底的下表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置3-6分钟，接着在2000-2500转/分钟的条件下旋涂2-5分钟，并在200-400℃的温度下退火30-60分钟，以钝化所述n型硅基底的下表面；步骤4：硫化钴纳米线/P3HT层的制备：在步骤3得到的n型硅基底的上表面旋涂含有硫化钴纳米线的P3HT溶液，旋涂的转速为2000-3000转/分钟以及时间为1-3分钟，然后在氮气环境中，并在120-140℃的温度下退火20-30分钟，形成所述硫化钴纳米线/P3HT层；步骤5：PEDOT:PSS层的制备：在所述硫化钴纳米线/P3HT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；步骤6：正面银栅电极的制备；步骤7：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3中，所述含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.3-0.6mg/ml，四丙醇硅的浓度为1-2mg/ml。
作为优选，在所述步骤4中，所述含有硫化钴纳米线的P3HT溶液中硫化钴纳米线的浓度为0.5-1mg/ml，P3HT的浓度为2-5mg/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6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100-200nm。
作为优选，在所述步骤7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：
1、本发明通过在硅表面旋涂四丙醇硅，并通过退火的方式，使得四丙醇硅变为氧化硅，可以有效减少硅表面的缺陷态，同时通过滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置3-6分钟的方式，可以利用氢氧化钠对硅基底的表面进行微刻蚀，进而使得四丙醇硅与硅基底充分接触，并通过优化具体的工艺参数，使得在退火过程中以在硅表面形成致密均匀的氧化硅膜，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、本发明采用硅纳米线阵列作为光吸收层，减少光反射，同时硅纳米线阵列的存在，增大了硅与硫化钴纳米线/P3HT层的接触增加，有利于电子空穴对的分离及传输效率，同时硫化钴纳米线在P3HT层中形成互连网络，为空穴的传输提供了传导路径，有效提高了空穴的传输效率，通过优化太阳能电池的结构以及各组分的具体含量，有效提高了太阳能电池的光电转换效率。
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：
步骤1：n型硅基底的清洗：将n型硅片切割成尺寸为3 cm×3 cm的n型硅基底，接着将所述n型硅基底依次在丙酮、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型硅基底，并用氮气吹干以备用；
步骤2：在所述n型硅基底的上表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的所述n型硅基底置于硝酸银/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10-30分钟，将刻蚀过的所述n型硅基底取出后，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；
步骤3：对所述n型硅基底进行钝化处理：将步骤2得到n型硅基底在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，接着在所述n型硅基底的上表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置3-6分钟，接着在2000-2500转/分钟的条件下旋涂2-5分钟，并在200-400℃的温度下退火30-60分钟，以钝化所述n型硅基底的上表面，然后在所述n型硅基底的下表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置3-6分钟，接着在2000-2500转/分钟的条件下旋涂2-5分钟，并在200-400℃的温度下退火30-60分钟，以钝化所述n型硅基底的下表面，所述含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.3-0.6mg/ml，四丙醇硅的浓度为1-2mg/ml。氢氧化钠的太低则不能有效刻蚀硅表面，氢氧化钠的浓度太高则会影响后续太阳能电池的性能，四丙醇硅的浓度太低则无法有效钝化硅表面，四丙醇硅的浓度太高则形成的氧化硅膜较厚则会影响太阳能电池的性能；
步骤4：硫化钴纳米线/P3HT层的制备：在步骤3得到的n型硅基底的上表面旋涂含有硫化钴纳米线的P3HT溶液，旋涂的转速为2000-3000转/分钟以及时间为1-3分钟，然后在氮气环境中，并在120-140℃的温度下退火20-30分钟，形成所述硫化钴纳米线/P3HT层，所述含有硫化钴纳米线的P3HT溶液中硫化钴纳米线的浓度为0.5-1mg/ml，P3HT的浓度为2-5mg/ml；
步骤5：PEDOT:PSS层的制备：在所述硫化钴纳米线/P3HT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；
步骤6：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100-200nm；
步骤7：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、氧化硅钝化膜2、n型硅基底3、硅纳米线阵列4、氧化硅钝化膜5、硫化钴纳米线/P3HT层6、PEDOT:PSS层7以及正面银栅电极8。
实施例1：
一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：n型硅基底的清洗：将n型硅片切割成尺寸为3 cm×3 cm的n型硅基底，接着将所述n型硅基底依次在丙酮、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型硅基底，并用氮气吹干以备用；
步骤2：在所述n型硅基底的上表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的所述n型硅基底置于硝酸银/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20分钟，将刻蚀过的所述n型硅基底取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持60分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
步骤3：对所述n型硅基底进行钝化处理：将步骤2得到n型硅基底在氢氟酸溶液中浸泡8分钟，接着在所述n型硅基底的上表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置5分钟，接着在2200转/分钟的条件下旋涂4分钟，并在300℃的温度下退火40分钟，以钝化所述n型硅基底的上表面，然后在所述n型硅基底的下表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置5分钟，接着在2200转/分钟的条件下旋涂4分钟，并在300℃的温度下退火40分钟，以钝化所述n型硅基底的下表面，所述含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.5mg/ml，四丙醇硅的浓度为1.5mg/ml；
步骤4：硫化钴纳米线/P3HT层的制备：在步骤3得到的n型硅基底的上表面旋涂含有硫化钴纳米线的P3HT溶液，旋涂的转速为2500转/分钟以及时间为2分钟，然后在氮气环境中，并在130℃的温度下退火25分钟，形成所述硫化钴纳米线/P3HT层，所述含有硫化钴纳米线的P3HT溶液中硫化钴纳米线的浓度为0.8mg/ml，P3HT的浓度为4mg/ml；
步骤5：PEDOT:PSS层的制备：在所述硫化钴纳米线/P3HT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；
步骤6：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；步骤7：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0.63V，短路电流为31.5mA/cm2，填充因子为0.75，光电转换效率为14.9%。
实施例2
一种太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：n型硅基底的清洗：将n型硅片切割成尺寸为3 cm×3 cm的n型硅基底，接着将所述n型硅基底依次在丙酮、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型硅基底，并用氮气吹干以备用；
步骤2：在所述n型硅基底的上表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的所述n型硅基底置于硝酸银/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30分钟，将刻蚀过的所述n型硅基底取出后，用去离子水冲洗，然后浸入浓硝酸中保持60分钟，接着用去离子水清洗硅片，并用氮气吹干以备用；
步骤3：对所述n型硅基底进行钝化处理：将步骤2得到n型硅基底在氢氟酸溶液中浸泡10分钟，接着在所述n型硅基底的上表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置6分钟，接着在2500转/分钟的条件下旋涂5分钟，并在400℃的温度下退火50分钟，以钝化所述n型硅基底的上表面，然后在所述n型硅基底的下表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置6分钟，接着在2500转/分钟的条件下旋涂5分钟，并在400℃的温度下退火50分钟，以钝化所述n型硅基底的下表面，所述含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.6mg/ml，四丙醇硅的浓度为2mg/ml；
步骤4：硫化钴纳米线/P3HT层的制备：在步骤3得到的n型硅基底的上表面旋涂含有硫化钴纳米线的P3HT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140℃的温度下退火20分钟，形成所述硫化钴纳米线/P3HT层，所述含有硫化钴纳米线的P3HT溶液中硫化钴纳米线的浓度为0.5mg/ml，P3HT的浓度为3mg/ml；
步骤5：PEDOT:PSS层的制备：在所述硫化钴纳米线/P3HT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；
步骤6：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；
步骤7：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300nm。
该太阳能电池的开路电压为0.61V，短路电流为32.5mA/cm2，填充因子为0.71，光电转换效率为14.1%。
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 (6)
1.一种太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1： n型硅基底的清洗：将n型硅片切割成尺寸为3 cm×3 cm的n型硅基底，接着将所述n型硅基底依次在丙酮、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型硅基底，并用氮气吹干以备用；
步骤2：在所述n型硅基底的上表面制备硅纳米线阵列：将步骤1得到的所述n型硅基底置于硝酸银/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10-30分钟，将刻蚀过的所述n型硅基底取出后，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；
步骤3：对所述n型硅基底进行钝化处理：将步骤2得到n型硅基底在氢氟酸溶液中浸泡5-10分钟，接着在所述n型硅基底的上表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液，所述含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液中氢氧化钠的浓度为0.3-0.6mg/ml，四丙醇硅的浓度为1-2mg/ml，并静置3-6分钟，接着在2000-2500转/分钟的条件下旋涂2-5分钟，并在200-400℃的温度下退火30-60分钟，以钝化所述n型硅基底的上表面，然后在所述n型硅基底的下表面滴加含有氢氧化钠和四丙醇硅的混合溶液并静置3-6分钟，接着在2000-2500转/分钟的条件下旋涂2-5分钟，并在200-400℃的温度下退火30-60分钟，以钝化所述n型硅基底的下表面；
步骤4：硫化钴纳米线/P3HT层的制备：在步骤3得到的n型硅基底的上表面旋涂含有硫化钴纳米线的P3HT溶液，所述含有硫化钴纳米线的P3HT溶液中硫化钴纳米线的浓度为0.5-1mg/ml，P3HT的浓度为2-5mg/ml，旋涂的转速为2000-3000转/分钟以及时间为1-3分钟，然后在氮气环境中，并在120-140℃的温度下退火20-30分钟，形成所述硫化钴纳米线/P3HT层；
步骤5：PEDOT:PSS层的制备：在所述硫化钴纳米线/P3HT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；
步骤6：正面银栅电极的制备；
步骤7：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，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所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述PEDOT:PSS层的厚度为10-20nm。
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6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100-200nm。
5.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7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。
6.一种太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的方法制备形成的。
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