CN108550658A - 一种纳米线太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种纳米线太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种纳米线太阳能电池及其制备方法，所述纳米线太阳能电池由下至上依次包括：背电极层，衬底层，纳米线层和正电极层；所述纳米线层中的纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒；所述纳米线太阳能电池的性能佳，量子效率高，且金属纳米颗粒浓度可控，且制备过程无需消耗大量的热量。

Description

一种纳米线太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种纳米线太阳能电池及其制备方法。
背景技术
近年来，在半导体研究领域，纳米线因其优异的光学性能、电子传输特性和化学稳定性等独特的性能引起越来越多的关注。纳米线太阳能电池可以在轴向和纵向上同时进行光吸收，所以即使晶体材料质量不高，纳米线太阳电池也能保持超高的效率。虽然纳米线在理论上能够保持很高的光学吸收，但是在一定程度下，纳米线的长度和半径与其吸收成正比，由于长度和半径的增加了其表面复合，最终导致较其量子效率变差。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种纳米线太阳能电池及其制备方法，所述纳米线太阳能电池包括纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒的纳米线层，所述电池的性能佳，量子效率高，且金属纳米颗粒浓度可控，且制备过程无需消耗大量的热量。
为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种纳米线太阳能电池，由下至上依次包括：背电极层，衬底层，纳米线层和正电极层；所述纳米线层中的纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒。
优选的，所述金属纳米线颗粒的直径为5-20nm。
优选的，所述金属纳米颗粒的材料为金或者银。
优选的，所述耦合过程采用化学配体作为联合剂。
优选的，所述的纳米线的材料为砷化镓或硅。
优选的，所述纳米线为n型掺杂纳米线。
优选的，所述正电极层材料为ITO。
优选的，所述正电极层厚度为40nm。
优选的，所述背电极层材料为银。
优选的，所述背电极层厚度为80nm。
优选的，所述衬底层为p型衬底层。
优选的，所述衬底层材料为硼掺杂程度约为5*1015cm-3的P型外延单晶硅。
本发明还提供了一种纳米线太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)提供一衬底层；
(2)在所述衬底层上生长纳米线层，得到第一复合结构层；所述第一复合结构层由下至上依次包括：衬底层、纳米线层；
(3)将金属纳米颗粒耦合至纳米线层中纳米线表面，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层；
(4)在衬底层下生长背电极层，在金属纳米颗粒修饰的纳米线层上生长正电极层；
(5)封装。
优选的，所述耦合过程温度为15～35℃。
优选的，所述耦合过程大于等于1次。
优选的，所述耦合过程耦合次数1～2次。
优选的，所述步骤(3)具体包括：采用化学配体作为联合剂，将金属纳米颗粒耦合至纳米线层中纳米线表面，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层；
优选的，所述化学配体为1,2-乙二硫醇或乙二胺。
优选的，所述化学配体为1,2-乙二硫醇。
优选的，所述步骤(3)具体包括：将所述第一复合结构层在联合剂中浸泡，清洗、干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层。
优选的，所述步骤(3)具体包括：将所述第一复合结构层在1,2-乙二硫醇溶液中浸泡2～4小时，乙醇清洗、氮气条件下干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中1小时，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层。
优选的，所述纳米线层经过刻蚀移除纳米线层中纳米线表面氧化层处理，所述纳米线层中纳米线为刻蚀过的纳米线。
优选的，所述纳米线层经过在盐酸溶液中刻蚀移除纳米线层中纳米线表面氧化层处理。
优选的，所述生长纳米线层方法包括：气-液-固生长法处理。
优选的，所述生长纳米线层方法包括：金属辅助刻蚀法处理后，通过扩散方法形成n型掺杂纳米线。
优选的，所述生长纳米线层方法包括：反应离子束刻蚀法处理后，通过扩散方法形成n型掺杂纳米线。
本申请与现有技术相比，其详细说明如下：
本发明提供的纳米线太阳能电池由下至上依次包括：背电极层，衬底层，纳米线层和正电极层；所述纳米线层中的纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒；金属纳米颗粒表面等离子效应，其表面会激发等离子共振，从而增加光的吸收及导致激子的产生率增加，金属等离子激元在可见光附近会和电磁波相互作用，表现为近场增强和远场散射效应，可以增加纳米线太阳能电池对光的吸收，进而提高其光电转化效率，改善纳米线太阳能电池的性能，增加纳米线太阳能电池量子效率。
本发明提供的纳米线太阳能电池纳米线层中纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒的纳米线层，采用化学配体作为联合剂，将金属纳米颗粒耦合至纳米线层中纳米线表面，通过对耦合次数的控制，实现了金属纳米颗粒在纳米线上的浓度可控。无需蒸镀和退火，无需使用电子束蒸发，磁控溅射等昂贵的设备，节约成本。耦合过程温度为15～35℃，不用耗费多余的热量。
进一步的，本发明纳米线层经过刻蚀移除纳米线层中纳米线表面氧化层处理，所述纳米线层中纳米线为刻蚀过的纳米线，提高电子输运效率，从而提高本发明提供的纳米线太阳能电池的效率。
进一步的，本发明利用1,2-乙二硫醇作为化学配体实现硫醇化，1,2-乙二硫醇上有两个-SH官能团，容易吸附在金属纳米颗粒和纳米线表面上，作为联合剂，耦合效果佳，实现纳米颗粒在纳米线上的浓度可控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1～2提供的纳米线太阳能电池的制备方法示意图；
图2为本发明实施例1～2提供的纳米线太阳能电池的制备方法中步骤d的示意图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
一种纳米线太阳能电池，由下至上依次包括：背电极层，衬底层，纳米线层和正电极层；所述纳米线层中的纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒。
所述金属纳米线颗粒的直径为5-20nm；所述金属纳米颗粒的材料为金。
所述的纳米线的材料为砷化镓；所述纳米线为n型掺杂纳米线。
所述纳米线层在1M的盐酸溶液中刻蚀移除纳米线层中纳米线表面氧化层处理，所述纳米线层中纳米线为刻蚀过的纳米线。
所述正电极层材料为ITO，所述正电极层厚度为40nm。
所述背电极层材料为银，所述背电极层厚度为80nm。
所述衬底层材料为硼掺杂程度约为5*1015cm-3的P型外延单晶硅。
如图1、2所示，上述纳米线太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(a)提供一衬底层；
(b)在所述衬底层上生长纳米线层，得到第一复合结构层；所述第一复合结构层由下至上依次包括：衬底层、纳米线层；
(c)在盐酸溶液中刻蚀移除所述纳米线层中纳米线表面氧化层，得到刻蚀过的第一复合结构层；
(d)所述刻蚀过的第一复合结构层在1,2-乙二硫醇溶液中浸泡2～4小时，乙醇清洗、氮气条件下干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中1小时，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层；
(e)在衬底层下生长背电极层，在金属纳米颗粒修饰的纳米线层上生长正电极层；
(f)封装；
其中，所述生长纳米线层方法为气-液-固生长法处理。
本实施例纳米线太阳能电池开路电压Voc＝0.78V，短路电流Jsc＝31mA/cm2,填充因子FF＝72％，效率η＝17.40％。
实施例2
本发明和实施例1的区别在于：所述金属纳米颗粒的材料为银，所述的纳米线的材料为硅。所述纳米线为n型掺杂纳米线。
所述生长纳米线层方法为金属辅助刻蚀法处理后，通过扩散方法形成n型掺杂纳米线。
本实施例纳米线太阳能电池开路电压Voc＝0.70V，短路电流Jsc＝34mA/cm2,填充因子FF＝73％，效率η＝17.37％。
实施例3
本发明和实施例1的区别在于：所述生长纳米线层方法为反应离子束刻蚀法处理后，通过扩散方法形成n型掺杂纳米线。
本实施例纳米线太阳能电池开路电压Voc＝0.65V，短路电流Jsc＝36mA/cm2,填充因子FF＝71％，效率η＝16.61％。
实施例3
本发明和实施例1的区别在于：本实施例纳米线太阳能电池制备过程中(d)所述刻蚀过的第一复合结构层在乙二胺溶液中浸泡2～4小时，乙醇清洗、氮气条件下干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中1小时，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层
本实施例纳米线太阳能电池开路电压Voc＝0.65V，短路电流Jsc＝35mA/cm2,填充因子FF＝0.70％，效率η＝15.93％。
实施例4
本发明和实施例1的区别在于：本实施例纳米线太阳能电池制备过程中步骤(d)包括：所述刻蚀过的第一复合结构层在1,2-乙二硫醇溶液中浸泡2～4小时，乙醇清洗、氮气条件下干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中1小时后，在1,2-乙二硫醇溶液中浸泡2～4小时，乙醇清洗、氮气条件下干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中1小时得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层。
本实施例纳米线太阳能电池开路电压Voc＝0.78V，短路电流Jsc＝35mA/cm2,填充因子FF＝0.71％，效率η＝19.4％。
对比例
一种纳米线太阳能电池，由下至上依次包括：背电极层，衬底层，纳米线层和正电极层。
所述的纳米线的材料为砷化镓；所述纳米线为n型掺杂纳米线。
所述正电极层材料为ITO，所述正电极层厚度为40nm。
所述背电极层材料为银，所述背电极层厚度为80nm。
所述衬底层材料为硼掺杂程度约为5*1015cm-3的P型外延单晶硅。
上述纳米线太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(a)提供一衬底层；
(b)在所述衬底层上生长纳米线层，得到第一复合结构层；所述第一复合结构
层由下至上依次包括：衬底层、纳米线层；
(c)在衬底层下生长背电极层，在纳米线层上生长正电极层；
(d)封装；
其中，所述生长纳米线层方法为气-液-固生长法处理。
本对比例太阳能电池开路电压Voc＝0.79V，短路电流Jsc＝25mA/cm2,填充因子FF＝73％，效率η＝14.4％。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米线太阳能电池，其特征在于，由下至上依次包括：背电极层，衬底层，纳米线层和正电极层；所述纳米线层中的纳米线表面上耦合有金属纳米颗粒。
2.根据权利要求1所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述金属纳米线颗粒的直径为5-20nm。
3.根据权利要求1所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述金属纳米颗粒的材料为金或者银。
4.根据权利要求1所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述耦合过程采用化学配体作为联合剂。
5.一种纳米线太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)提供一衬底层；
(2)在所述衬底层上生长纳米线层，得到第一复合结构层；所述第一复合结构层由下至上依次包括：衬底层、纳米线层；
(3)将金属纳米颗粒耦合至所述纳米线层中纳米线表面，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层；
(4)在衬底层下生长背电极层，在金属纳米颗粒修饰的纳米线层上生长正电极层；
(5)封装。
6.根据权利要求5所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：采用化学配体作为联合剂，将金属纳米颗粒耦合至纳米线层中纳米线表面，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层。
7.根据权利要求6所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述化学配体为1,2-乙二硫醇或乙二胺。
8.根据权利要求6所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述化学配体为1,2-乙二硫醇。
9.根据权利要求6所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述步骤(3)具体包括：将所述第一复合结构层在联合剂中浸泡，清洗、干燥后，浸泡在金属纳米颗粒溶液中，得到第二复合结构层；所述第二复合结构层由下至上依次包括：衬底层、金属纳米颗粒修饰的纳米线层。
10.根据权利要求5所述的纳米线太阳能电池，其特征在于，所述纳米线层经过刻蚀移除纳米线层中纳米线表面氧化层处理，所述纳米线层中纳米线为刻蚀过的纳米线。
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