CN108461580A - 一种硅太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅太阳能电池及其制备方法，该方法包括以下步骤：在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列、第一界面修饰层的制备、第二界面修饰层的制备、第一PEDOT:PSS层的制备、第二PEDOT:PSS层的制备、在所述第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀金属铜、正面栅电极的制备以及背面电极的制备。通过改善硅基核壳结构光伏电池的结构以及制备工艺，有效提高了本发明的硅太阳能电池的光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种硅太阳能电池及其制备方法。
背景技术
在现有的有机无机杂化太阳能电池的制备过程中，通常是先利用金属催化化学腐蚀法在n型硅片表面制备硅纳米线阵列，接着对n型硅片进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化硅表面，然后在n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液并进行退火处理以形成PEDOT：PSS层，接着在n型硅片正面蒸镀银栅电极并在n型硅片背面蒸镀背面电极，以形成常规的有机无机杂化太阳能电池。现有的有机无机杂化太阳能电池中，n型硅片与PEDOT：PSS层之间的接触界面缺陷态较多，导致电子和空穴发生复合，进而导致其光电转换效率较低。
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，本发明提出的一种硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的表面的自然氧化硅；
(2)第一界面修饰层的制备：在步骤(1)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第一混合溶液，其中所述第一混合溶液中乙醇铪的浓度为0.4-0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为3-5mg/ml，旋涂的转速为5500-6000转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成所述第一界面修饰层；
(3)第二界面修饰层的制备：在步骤(2)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第二混合溶液，其中所述第二混合溶液中乙醇铪的浓度为0.1-0.3mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为6-8mg/ml，旋涂的转速为5000-5500转/分钟，然后进行第二次退火处理，形成所述第二界面修饰层；
(4)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为4500-5000转/分钟，然后进行第三次退火处理，形成所述第一PEDOT:PSS层；
(5)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的正面旋涂含有银纳米线和石墨烯的PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为3000-3500转/分钟，然后进行第四次退火处理，形成所述第二PEDOT:PSS层
(6)在所述第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀金属铜，其中，热蒸镀金属铜的速率均为1-2埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为3-6秒；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
进一步的，在所述步骤(1)中，所述硅纳米线阵列中的单个硅纳米线的长度为3-5微米，所述单个硅纳米线的直径为400-800纳米，相邻硅纳米线的间距为600-1000纳米。
进一步的，在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一次退火处理和所述第二次退火处理的退火温度为120-130℃，所述第一次退火处理的退火时间为10-20分钟，所述第二次退火处理的退火时间为5-10分钟。
进一步的，在所述步骤(4)中，所述第三次退火处理的退火温度为100-110℃，所述第三次退火处理的退火时间为15-25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为20-40纳米。
进一步的，在所述步骤(5)中，所述第四次退火处理的退火温度为110-120℃，所述第四次退火处理的退火时间为10-20分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为30-60纳米。
进一步的，在所述步骤(7)中，通过热蒸镀金属银形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的厚度为200-300纳米。
进一步的，在所述步骤(8)中通过热蒸镀金属铝形成所述背面电极，所述背面电极的厚度为300-400纳米。
本发明还提供了一种硅太阳能电池，所述硅太阳能电池为采用上述方法制备形成的。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的硅太阳能电池中，通过在硅纳米线和第一PEDOT:PSS层之间形成两个界面修饰层，通过优化界面修饰层的具体制备工艺及参数，一方面可以有效减少硅纳米线表面的缺陷态，另一方面改善了硅纳米线与PEDOT:PSS层的接触质量，形成了良好的肖特基结，有效减少电子与空穴在界面处的复合泯灭，有利于电子和空穴的分离与传输，有效提高了光伏电池的开路电压和填充因子，同时第二PEDOT:PSS层中含有银纳米线和石墨烯，且在第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀有金属铜，有效增加了空穴的迁移速率，进一步提高了太阳能电池的光电转换效率。本发明的硅太阳能电池的制备方法简单易行，且各退火工序的温度较低，有效降低了制造成本，且在利用溶液法制备各层的过程中，通过优化各组分的具体含量以及具体的制备工艺参数，有效提高了硅太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的硅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硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的表面的自然氧化硅；
(2)第一界面修饰层的制备：在步骤(1)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第一混合溶液，其中所述第一混合溶液中乙醇铪的浓度为0.4-0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为3-5mg/ml，旋涂的转速为5500-6000转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成所述第一界面修饰层；
(3)第二界面修饰层的制备：在步骤(2)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第二混合溶液，其中所述第二混合溶液中乙醇铪的浓度为0.1-0.3mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为6-8mg/ml，旋涂的转速为5000-5500转/分钟，然后进行第二次退火处理，形成所述第二界面修饰层；
(4)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为4500-5000转/分钟，然后进行第三次退火处理，形成所述第一PEDOT:PSS层；
(5)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的正面旋涂含有银纳米线和石墨烯的PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为3000-3500转/分钟，然后进行第四次退火处理，形成所述第二PEDOT:PSS层
(6)在所述第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀金属铜，其中，热蒸镀金属铜的速率均为1-2埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为3-6秒；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中，所述硅纳米线阵列中的单个硅纳米线的长度为3-5微米，所述单个硅纳米线的直径为400-800纳米，相邻硅纳米线的间距为600-1000纳米。在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一次退火处理和所述第二次退火处理的退火温度为120-130℃，所述第一次退火处理的退火时间为10-20分钟，所述第二次退火处理的退火时间为5-10分钟。在所述步骤(4)中，所述第三次退火处理的退火温度为100-110℃，所述第三次退火处理的退火时间为15-25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为20-40纳米。在所述步骤(5)中，所述第四次退火处理的退火温度为110-120℃，所述第四次退火处理的退火时间为10-20分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为30-60纳米。在所述步骤(7)中，通过热蒸镀金属银形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的厚度为200-300纳米。在所述步骤(8)中通过热蒸镀金属铝形成所述背面电极，所述背面电极的厚度为300-400纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的硅太阳能电池，所述硅纳米线阵列异质结太阳能电池从下至上包括背面电极1、N型单晶硅片2、硅纳米线阵列3、第一界面修饰层4、第二界面修饰层5、第一PEDOT:PSS层6、第二PEDOT:PSS层7以及正面栅电极8。
实施例1：
一种硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的表面的自然氧化硅；
(2)第一界面修饰层的制备：在步骤(1)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第一混合溶液，其中所述第一混合溶液中乙醇铪的浓度为0.6mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为4mg/ml，旋涂的转速为6000转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成所述第一界面修饰层；
(3)第二界面修饰层的制备：在步骤(2)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第二混合溶液，其中所述第二混合溶液中乙醇铪的浓度为0.2mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为7mg/ml，旋涂的转速为5500转/分钟，然后进行第二次退火处理，形成所述第二界面修饰层；
(4)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为4500转/分钟，然后进行第三次退火处理，形成所述第一PEDOT:PSS层；
(5)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的正面旋涂含有银纳米线和石墨烯的PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为3500转/分钟，然后进行第四次退火处理，形成所述第二PEDOT:PSS层
(6)在所述第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀金属铜，其中，热蒸镀金属铜的速率均为1.5埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为5秒；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中，所述硅纳米线阵列中的单个硅纳米线的长度为4微米，所述单个硅纳米线的直径为600纳米，相邻硅纳米线的间距为800纳米。在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一次退火处理和所述第二次退火处理的退火温度为125℃，所述第一次退火处理的退火时间为15分钟，所述第二次退火处理的退火时间为8分钟。在所述步骤(4)中，所述第三次退火处理的退火温度为105℃，所述第三次退火处理的退火时间为20分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为30纳米。在所述步骤(5)中，所述第四次退火处理的退火温度为115℃，所述第四次退火处理的退火时间为15分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为40纳米。在所述步骤(7)中，通过热蒸镀金属银形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的厚度为200纳米。在所述步骤(8)中通过热蒸镀金属铝形成所述背面电极，所述背面电极的厚度为300纳米。
上述方法制备的硅太阳能电池的开路电压为0.61V，短路电流为35.6mA/cm2，填充因子为0.74，光电转换效率为16.1％。
实施例2
一种硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的表面的自然氧化硅；
(2)第一界面修饰层的制备：在步骤(1)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第一混合溶液，其中所述第一混合溶液中乙醇铪的浓度为0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为3mg/ml，旋涂的转速为5500转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成所述第一界面修饰层；
(3)第二界面修饰层的制备：在步骤(2)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第二混合溶液，其中所述第二混合溶液中乙醇铪的浓度为0.3mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为6mg/ml，旋涂的转速为5000转/分钟，然后进行第二次退火处理，形成所述第二界面修饰层；
(4)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为5000转/分钟，然后进行第三次退火处理，形成所述第一PEDOT:PSS层；
(5)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的正面旋涂含有银纳米线和石墨烯的PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为3000转/分钟，然后进行第四次退火处理，形成所述第二PEDOT:PSS层
(6)在所述第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀金属铜，其中，热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6秒；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(1)中，所述硅纳米线阵列中的单个硅纳米线的长度为3微米，所述单个硅纳米线的直径为400纳米，相邻硅纳米线的间距为600纳米。在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一次退火处理和所述第二次退火处理的退火温度为120℃，所述第一次退火处理的退火时间为20分钟，所述第二次退火处理的退火时间为10分钟。在所述步骤(4)中，所述第三次退火处理的退火温度为110℃，所述第三次退火处理的退火时间为25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为20纳米。在所述步骤(5)中，所述第四次退火处理的退火温度为120℃，所述第四次退火处理的退火时间为20分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为50纳米。在所述步骤(7)中，通过热蒸镀金属银形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的厚度为300纳米。在所述步骤(8)中通过热蒸镀金属铝形成所述背面电极，所述背面电极的厚度为400纳米。
上述方法制备的硅太阳能电池的开路电压为0.6V，短路电流为34.5mA/cm2，填充因子为0.73，光电转换效率为15.1％。
对比例：
为了突出本发明的硅太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种硅太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列；(3)n型硅片表面的甲基化处理；(4)PEDOT:PSS层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，接着进行退火处理；(4)正面栅电极的制备；(5)背面电极的制备。其中，在所述步骤(1)中利用金属催化化学腐蚀法在n型硅片表面制备硅纳米线阵列。在所述步骤(2)中，对n型硅片进行甲基化处理，形成Si-CH3键以钝化硅表面。在所述步骤(3)中，所述退火处理的温度120℃，所述退火处理的时间为25分钟。在所述步骤(4)中，通过热蒸镀法形成所述正面栅电极，所述正面栅电极为银栅电极，所述正面栅电极的厚度为150纳米。在所述步骤(5)中通过热蒸镀法形成所述背面电极，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为250纳米。
上述方法制备的硅太阳能电池的开路电压为0.57V，短路电流为32.9mA/cm2，填充因子为0.61，光电转换效率为11.4％。
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)
1.一种硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在N型单晶硅片的上表面制备硅纳米线阵列，然后在HF溶液中浸泡以去除所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的表面的自然氧化硅；
(2)第一界面修饰层的制备：在步骤(1)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第一混合溶液，其中所述第一混合溶液中乙醇铪的浓度为0.4-0.8mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为3-5mg/ml，旋涂的转速为5500-6000转/分钟，然后进行第一次退火处理，形成所述第一界面修饰层；
(3)第二界面修饰层的制备：在步骤(2)得到的N型单晶硅片的上表面旋涂含有乙醇铪和Spiro-OMeTAD的第二混合溶液，其中所述第二混合溶液中乙醇铪的浓度为0.1-0.3mg/ml，Spiro-OMeTAD的浓度为6-8mg/ml，旋涂的转速为5000-5500转/分钟，然后进行第二次退火处理，形成所述第二界面修饰层；
(4)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的正面旋涂PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为4500-5000转/分钟，然后进行第三次退火处理，形成所述第一PEDOT:PSS层；
(5)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的正面旋涂含有银纳米线和石墨烯的PEDOT:PSS溶液，旋涂的转速为3000-3500转/分钟，然后进行第四次退火处理，形成所述第二PEDOT:PSS层
(6)在所述第二PEDOT:PSS层的整个表面热蒸镀金属铜，其中，热蒸镀金属铜的速率均为1-2埃米/秒，每次蒸镀金属铜的时间均为3-6秒；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
2.根据权利要求1所述的硅太阳能电池，其特征在于：在所述步骤(1)中，所述硅纳米线阵列中的单个硅纳米线的长度为3-5微米，所述单个硅纳米线的直径为400-800纳米，相邻硅纳米线的间距为600-1000纳米。
3.根据权利要求1所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)和所述步骤(3)中，所述第一次退火处理和所述第二次退火处理的退火温度为120-130℃，所述第一次退火处理的退火时间为10-20分钟，所述第二次退火处理的退火时间为5-10分钟。
4.根据权利要求1所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所述第三次退火处理的退火温度为100-110℃，所述第三次退火处理的退火时间为15-25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为20-40纳米。
5.根据权利要求1所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述第四次退火处理的退火温度为110-120℃，所述第四次退火处理的退火时间为10-20分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为30-60纳米。
6.根据权利要求1所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(7)中，通过热蒸镀金属银形成所述正面栅电极，所述正面栅电极的厚度为200-300纳米。
7.根据权利要求1所述的硅太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(8)中通过热蒸镀金属铝形成所述背面电极，所述背面电极的厚度为300-400纳米。
8.一种硅太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述硅太阳能电池的制备方法为采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的硅太阳能电池的制备方法。
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