CN108565341B - 一种硅异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种硅异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅异质结太阳能电池及其制备方法，该方法包括以下步骤对n型硅片进行制绒处理、对所述n型硅片进行钝化处理、氯化锶界面修饰薄膜的制备、Spiro‑OMeTAD复合层的制备、PEDOT:PSS复合层的制备、Bphen界面层的制备、正面栅电极的制备以及背面电极的制备。本发明的硅异质结太阳能电池具有优异的光电转换效率。

Description

一种硅异质结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，特别是涉及一种硅异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
硅太阳能电池主要包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池以及有机无机杂化太阳能电池。传统的硅太阳能电池制备过程中温度较高，对硅材料的纯度较高，进而导致成本较高，使得传统的硅太阳能电池难以进行大规模应用。有机无机杂化太阳能电池由于制备工艺简单且制备过程的温度较低而引起了人们的广泛关注，然而现有的有机无机杂化太阳能电池的光电转换效率较低。如何改善有机无机杂化太阳能电池的结构，以提高其光电转换效率，是业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种硅异质结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异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)对n型硅片进行制绒处理，然后在酸性溶液中浸泡以去除n型硅片表面的自然氧化硅层；
(2)对所述n型硅片进行钝化处理：在所述n型硅片的上表面旋涂含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，并进行干燥处理，接着在所述n型硅片的下表面旋涂上述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，然后进行第一次退火处理，在所述n型硅片的上下表面均形成钝化薄膜；
(3)氯化锶界面修饰薄膜的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的上表面旋涂含有氯化锶的水溶液，其中所述含有氯化锶的水溶液中氯化锶的浓度为0.03-0.09mg/ml,然后进行第二次退火处理，在所述n型硅片的上表面形成氯化锶界面修饰薄膜；
(4)Spiro-OMeTAD复合层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的上表面旋涂含有CuInS2量子点和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，其中所述CuInS2量子点的浓度为0.5-1mg/ml，所述Spiro-OMeTAD的浓度为10-15mg/ml，然后进行第三次退火处理，形成所述Spiro-OMeTAD复合层；
(5)PEDOT:PSS复合层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的上表面旋涂含有硫化亚铜纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液，其中所述硫化亚铜纳米颗粒的浓度为0.3-0.9mg/ml，然后进行第四次退火处理，形成所述PEDOT:PSS复合层；
(6)Bphen界面层的制备：在步骤(5)得到的n型硅片的下表面蒸镀Bphen，以形成所述Bphen界面层；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
作为优选的，在所述步骤(2)中，所述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液中所述正丙醇钇的浓度为0.3-0.6mg/ml，所述正丙醇铪的浓度为0.5-1mg/ml，旋涂的转速均为4000-5000转/分钟，所述第一次退火处理的退火温度为200-300℃，所述第一次退火处理的退火时间为20-30分钟。
作为优选的，在所述步骤(3)中，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，所述第二次退火处理的退火温度为200-250℃，所述第二次退火处理的退火时间为10-20分钟。
作为优选的，在所述步骤(4)中，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，所述CuInS2量子点的粒径为5-10纳米，所述第三次退火处理的退火温度为100-120℃，所述第三次退火处理的退火时间为15-25分钟。
作为优选的，在所述步骤(5)中，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，所述第四次退火处理的退火温度为120-130℃，所述第四次退火处理的退火时间为20-30分钟，所述PEDOT:PSS复合层的厚度为30-50纳米，所述硫化亚铜纳米颗粒的粒径为3-6纳米。
作为优选的，在所述步骤(6)中，蒸镀Bphen的蒸镀速率为1-3埃米/秒，蒸镀Bphen的时间为3-8秒。
作为优选的，在所述步骤(7)中，通过PVD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100-200纳米。
作为优选的，在所述步骤(8)中通过PVD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200-400纳米。
本发明还提供了一种硅异质结太阳能电池，所述硅异质结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：
本发明的硅异质结太阳能电池中，通过在硅片表面旋涂有机金属化合物，并通过退火的方式在硅片表面形成超薄的金属氧化物薄膜，有效钝化硅表面的同时，不会阻碍电子和空穴的传输，氯化锶界面修饰薄膜的存在可以改善Spiro-OMeTAD复合层与n型硅片的接触势垒，有效提高了内建电场，CuInS2量子点的存在则改善了空穴在Spiro-OMeTAD复合层的传输性能，PEDOT:PSS复合层中含有硫化亚铜纳米颗粒，有效增加了空穴的迁移速率，Bphen界面层的存在改善了背面电极和硅片之间的接触势垒，进一步提高了硅异质结太阳能电池的光电转换效率。本发明的硅异质结太阳能电池的制备过程简单，不需要昂贵的设备，易于工业化生产，通过优化各组分的具体含量以及具体的制备工艺参数，有效提高了硅异质结太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的硅异质结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异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)对n型硅片进行制绒处理，然后在酸性溶液中浸泡以去除n型硅片表面的自然氧化硅层；
(2)对所述n型硅片进行钝化处理：在所述n型硅片的上表面旋涂含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，并进行干燥处理，接着在所述n型硅片的下表面旋涂上述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，然后进行第一次退火处理，在所述n型硅片的上下表面均形成钝化薄膜；
(3)氯化锶界面修饰薄膜的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的上表面旋涂含有氯化锶的水溶液，其中所述含有氯化锶的水溶液中氯化锶的浓度为0.03-0.09mg/ml,然后进行第二次退火处理，在所述n型硅片的上表面形成氯化锶界面修饰薄膜；
(4)Spiro-OMeTAD复合层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的上表面旋涂含有CuInS2量子点和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，其中所述CuInS2量子点的浓度为0.5-1mg/ml，所述Spiro-OMeTAD的浓度为10-15mg/ml，然后进行第三次退火处理，形成所述Spiro-OMeTAD复合层；
(5)PEDOT:PSS复合层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的上表面旋涂含有硫化亚铜纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液，其中所述硫化亚铜纳米颗粒的浓度为0.3-0.9mg/ml，然后进行第四次退火处理，形成所述PEDOT:PSS复合层；
(6)Bphen界面层的制备：在步骤(5)得到的n型硅片的下表面蒸镀Bphen，以形成所述Bphen界面层；
(7)正面栅电极的制备；
(8)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(2)中，所述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液中所述正丙醇钇的浓度为0.3-0.6mg/ml，所述正丙醇铪的浓度为0.5-1mg/ml，旋涂的转速均为4000-5000转/分钟，所述第一次退火处理的退火温度为200-300℃，所述第一次退火处理的退火时间为20-30分钟。在所述步骤(3)中，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，所述第二次退火处理的退火温度为200-250℃，所述第二次退火处理的退火时间为10-20分钟。在所述步骤(4)中，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，所述CuInS2量子点的粒径为5-10纳米，所述第三次退火处理的退火温度为100-120℃，所述第三次退火处理的退火时间为15-25分钟。在所述步骤(5)中，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，所述第四次退火处理的退火温度为120-130℃，所述第四次退火处理的退火时间为20-30分钟，所述PEDOT:PSS复合层的厚度为30-50纳米，所述硫化亚铜纳米颗粒的粒径为3-6纳米。在所述步骤(6)中，蒸镀Bphen的蒸镀速率为1-3埃米/秒，蒸镀Bphen的时间为3-8秒。在所述步骤(7)中，通过PVD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100-200纳米。在所述步骤(8)中通过PVD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200-400纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的硅异质结太阳能电池，所述硅异质结太阳能电池从下至上包括背面电极1、Bphen界面层2、钝化薄膜3、n型硅片4、钝化薄膜3、氯化锶界面修饰薄膜5、Spiro-OMeTAD复合层6、PEDOT:PSS复合层7以及正面栅电极8。
实施例1：
一种硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)对n型硅片进行制绒处理，然后在酸性溶液中浸泡以去除n型硅片表面的自然氧化硅层；(2)对所述n型硅片进行钝化处理：在所述n型硅片的上表面旋涂含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，并进行干燥处理，接着在所述n型硅片的下表面旋涂上述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，然后进行第一次退火处理，在所述n型硅片的上下表面均形成钝化薄膜；(3)氯化锶界面修饰薄膜的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的上表面旋涂含有氯化锶的水溶液，其中所述含有氯化锶的水溶液中氯化锶的浓度为0.06mg/ml,然后进行第二次退火处理，在所述n型硅片的上表面形成氯化锶界面修饰薄膜；(4)Spiro-OMeTAD复合层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的上表面旋涂含有CuInS2量子点和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，其中所述CuInS2量子点的浓度为0.8mg/ml，所述Spiro-OMeTAD的浓度为12mg/ml，然后进行第三次退火处理，形成所述Spiro-OMeTAD复合层；(5)PEDOT:PSS复合层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的上表面旋涂含有硫化亚铜纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液，其中所述硫化亚铜纳米颗粒的浓度为0.6mg/ml，然后进行第四次退火处理，形成所述PEDOT:PSS复合层；(6)Bphen界面层的制备：在步骤(5)得到的n型硅片的下表面蒸镀Bphen，以形成所述Bphen界面层；(7)正面栅电极的制备；(8)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(2)中，所述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液中所述正丙醇钇的浓度为0.4mg/ml，所述正丙醇铪的浓度为0.8mg/ml，旋涂的转速为4500转/分钟，所述第一次退火处理的退火温度为250℃，所述第一次退火处理的退火时间为25分钟，通过优化正丙醇钇和正丙醇铪的浓度以及退火的具体温度和时间，有效钝化了n型硅片表面的缺陷态。在所述步骤(3)中，旋涂的转速均为2500转/分钟，所述第二次退火处理的退火温度为240℃，所述第二次退火处理的退火时间为15分钟。在所述步骤(4)中，旋涂的转速为3500转/分钟，所述CuInS2量子点的粒径为8纳米，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20分钟。在所述步骤(5)中，旋涂的转速为3000转/分钟，所述第四次退火处理的退火温度为125℃，所述第四次退火处理的退火时间为25分钟，所述PEDOT:PSS复合层的厚度为40纳米，所述硫化亚铜纳米颗粒的粒径为5纳米。在所述步骤(6)中，蒸镀Bphen的蒸镀速率为2埃米/秒，蒸镀Bphen的时间为6秒。在所述步骤(7)中，通过PVD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(8)中通过PVD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300纳米。
上述方法制备的硅异质结太阳能电池的开路电压为0.64V，短路电流为32.7mA/cm2，填充因子为0.73，光电转换效率为15.3％。
实施例2
一种硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)对n型硅片进行制绒处理，然后在酸性溶液中浸泡以去除n型硅片表面的自然氧化硅层；(2)对所述n型硅片进行钝化处理：在所述n型硅片的上表面旋涂含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，并进行干燥处理，接着在所述n型硅片的下表面旋涂上述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，然后进行第一次退火处理，在所述n型硅片的上下表面均形成钝化薄膜；(3)氯化锶界面修饰薄膜的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的上表面旋涂含有氯化锶的水溶液，其中所述含有氯化锶的水溶液中氯化锶的浓度为0.09mg/ml,然后进行第二次退火处理，在所述n型硅片的上表面形成氯化锶界面修饰薄膜；(4)Spiro-OMeTAD复合层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的上表面旋涂含有CuInS2量子点和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，其中所述CuInS2量子点的浓度为1mg/ml，所述Spiro-OMeTAD的浓度为10mg/ml，然后进行第三次退火处理，形成所述Spiro-OMeTAD复合层；(5)PEDOT:PSS复合层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的上表面旋涂含有硫化亚铜纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液，其中所述硫化亚铜纳米颗粒的浓度为0.9mg/ml，然后进行第四次退火处理，形成所述PEDOT:PSS复合层；(6)Bphen界面层的制备：在步骤(5)得到的n型硅片的下表面蒸镀Bphen，以形成所述Bphen界面层；(7)正面栅电极的制备；(8)背面电极的制备。
其中，在所述步骤(2)中，所述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液中所述正丙醇钇的浓度为0.3mg/ml，所述正丙醇铪的浓度为1mg/ml，旋涂的转速均为5000转/分钟，所述第一次退火处理的退火温度为300℃，所述第一次退火处理的退火时间为20分钟。在所述步骤(3)中，旋涂的转速为3000转/分钟，所述第二次退火处理的退火温度为250℃，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，旋涂的转速为4000转/分钟，所述CuInS2量子点的粒径为10纳米，所述第三次退火处理的退火温度为120℃，所述第三次退火处理的退火时间为15分钟。在所述步骤(5)中，旋涂的转速为2000转/分钟，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30分钟，所述PEDOT:PSS复合层的厚度为50纳米，所述硫化亚铜纳米颗粒的粒径为6纳米。在所述步骤(6)中，蒸镀Bphen的蒸镀速率为3埃米/秒，蒸镀Bphen的时间为8秒。在所述步骤(7)中，通过PVD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200纳米。在所述步骤(8)中通过PVD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200纳米。
上述方法制备的硅异质结太阳能电池的开路电压为0.62V，短路电流为32.3mA/cm2，填充因子为0.71，光电转换效率为14.2％。
对比例：
为了突出本发明的硅异质结太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种硅异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)对n型硅片进行制绒处理；(2)对所述n型硅片进行甲基化钝化处理；(3)Spiro-OMeTAD层的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的正面旋涂Spiro-OMeTAD溶液，Spiro-OMeTAD溶液的浓度为20mg/ml，接着进行退火处理，所述退火处理的温度110℃，所述退火处理的时间为20分钟；(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，所述退火处理的温度120℃，所述退火处理的时间为30分钟；(5)正面电极的制备，所述正面栅电极为银栅电极，所述正面栅电极的厚度为200纳米；(6)背面电极的制备，所述背面电极的材质为铝，所述背面电极的厚度为300纳米。
上述方法制备的硅异质结太阳能电池的开路电压为0.57V，短路电流为31.6mA/cm2，填充因子为0.62，光电转换效率为11.2％。
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 (9)

1.一种硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对n型硅片进行制绒处理，然后在酸性溶液中浸泡以去除n型硅片表面的自然氧化硅层；
(2)对所述n型硅片进行钝化处理：在所述n型硅片的上表面旋涂含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，并进行干燥处理，接着在所述n型硅片的下表面旋涂上述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液，然后进行第一次退火处理，在所述n型硅片的上下表面均形成钝化薄膜；
(3)氯化锶界面修饰薄膜的制备：在步骤(2)得到的n型硅片的上表面旋涂含有氯化锶的水溶液，其中所述含有氯化锶的水溶液中氯化锶的浓度为0.03-0.09mg/ml,然后进行第二次退火处理，在所述n型硅片的上表面形成氯化锶界面修饰薄膜；
(4)Spiro-OMeTAD复合层的制备：在步骤(3)得到的n型硅片的上表面旋涂含有CuInS2量子点和Spiro-OMeTAD的氯苯溶液，其中所述CuInS2量子点的浓度为0.5-1mg/ml，所述Spiro-OMeTAD的浓度为10-15mg/ml，然后进行第三次退火处理，形成所述Spiro-OMeTAD复合层；
(5)PEDOT:PSS复合层的制备：在步骤(4)得到的n型硅片的上表面旋涂含有硫化亚铜纳米颗粒和PEDOT:PSS的混合溶液，其中所述硫化亚铜纳米颗粒的浓度为0.3-0.9mg/ml，然后进行第四次退火处理，形成所述PEDOT:PSS复合层；
(6)Bphen界面层的制备：在步骤(5)得到的n型硅片的下表面蒸镀Bphen，以形成所述Bphen界面层；
(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所述的硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所述含有正丙醇钇和正丙醇铪的混合溶液中所述正丙醇钇的浓度为0.3-0.6mg/ml，所述正丙醇铪的浓度为0.5-1mg/ml，旋涂的转速均为4000-5000转/分钟，所述第一次退火处理的退火温度为200-300℃，所述第一次退火处理的退火时间为20-30分钟。
3.根据权利要求1所述的硅异 质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，所述第二次退火处理的退火温度为200-250℃，所述第二次退火处理的退火时间为10-20分钟。
4.根据权利要求1所述的硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，所述CuInS2量子点的粒径为5-10纳米，所述第三次退火处理的退火温度为100-120℃，所述第三次退火处理的退火时间为15-25分钟。
5.根据权利要求1所述的硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，所述第四次退火处理的退火温度为120-130℃，所述第四次退火处理的退火时间为20-30分钟，所述PEDOT:PSS复合层的厚度为30-50纳米，所述硫化亚铜纳米颗粒的粒径为3-6纳米。
6.根据权利要求1所述的硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(6)中，蒸镀Bphen的蒸镀速率为1-3埃米/秒，蒸镀Bphen的时间为3-8秒。
7.根据权利要求1所述的硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(7)中，通过PVD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100-200纳米。
8.根据权利要求1所述的硅异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(8)中通过PVD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200-400纳米。
9.一种硅异质结太阳能电池，其特征在于，所述硅异质结太阳能电池为采用权利要求1-8任一项所述的方法制备形成的硅异质结太阳能电池。
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