CN110085685A - 一种陷光增效结构及其制备方法和一种太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种陷光增效结构及其制备方法和一种太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种陷光增效结构及其制备方法和一种太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池技术领域。该陷光增效结构包括顺排碳纳米管膜和附着在顺排碳纳米管膜表面的二氧化钛膜或者银膜。二氧化钛膜可降低碳纳米管膜的光吸收，避免太阳光能量的损耗，使太阳能最大限度的被利用，而银膜中的银颗粒受到入射光的辐射后会激发出局域表面等离子体局域共振效应，使纵向入射的太阳光耦合成横向传播的光，延长了光子的传播长度；二氧化钛膜和银膜均使该陷光增效结构具有更好的陷光性能，且该陷光增效结构为纳米级尺寸，解决了现有技术中的陷光增效结构的陷光效果不明显，且厚度较大难以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上的问题。

Description

一种陷光增效结构及其制备方法和一种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，特别涉及一种陷光增效结构及其制备方法和一种太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着全球人口数量的增长以及经济的发展，人类对能源的需求也越来越大。化石燃料的燃烧不仅严重污染环境，且资源有限，因此，我们急需找到一种可再生的绿色能源。太阳能有着清洁、丰富的特点，逐渐吸引了人们的眼球。在我国，太阳能资源开发和利用的潜力非常广阔。资料显示，到2020年，我国将力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW(百万千瓦)；到2030年，我国太阳能装机容量的复合增长率将高达25％以上。
目前，高成本和低效率仍是太阳能电池亟待解决的两大问题，其解决方案在于如何降低成本和提高效率。在光伏产业，硅太阳能电池仍然占主要地位。质量更轻、灵活性更强、整合难度更小、制备过程更廉价的硅薄膜太阳能电池获得更多青睐。与此同时，薄膜电池不可避免地带来了对入射光的不完全吸收。一般来讲，商业的SiNx减反膜和微米尺度的随机金字塔结构(厚度一般为5～20微米)相结合，可使光伏电池达到较好的抗反射效果。但制备这种微米级金字塔结构本身就要浪费大量硅材料，同时也不得不保留较厚的硅基底作为支撑，难以应用在超薄晶硅太阳电池上或者薄膜太阳能电池上，严重制约了硅太阳能电池的成本。
因此，如何解决现有技术中的金字塔微米陷光增效结构的陷光效果不明显，且厚度较大，难以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上的问题，成为本领域技术人员所要解决的重要技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种陷光增效结构及其制备方法和一种太阳能电池及其制备方法。本发明提供的陷光增效结构陷光效果好，且为纳米级尺寸，可以应用于超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池中。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种陷光增效结构，包括顺排碳纳米管膜和附着在顺排碳纳米管膜单侧表面或双侧表面的增效膜；所述增效膜为二氧化钛膜或银膜。
优选的，所述顺排碳纳米管膜的厚度为50～300nm；所述顺排碳纳米管膜中碳纳米管的内径为30～50nm，壁厚为10～20nm。
优选的，所述增效膜的厚度为30～100nm。
本发明提供了上述方案所述陷光增效结构的制备方法，包括以下步骤：
通过磁控溅射在顺排碳纳米管膜的单侧表面或双侧表面镀制增效膜。
优选的，所述磁控溅射的溅射速率为真空度低于10-5Pa。
优选的，当所述增效膜为二氧化钛膜时，在顺排碳纳米管膜单侧表面的镀制时间为40～120min；
当所述增效膜为银膜时，在顺排碳纳米管膜单侧表面的镀制时间为8～24min。
本发明提供了一种太阳能电池，包括衬底和固定在衬底表面的上述方案所述的陷光增效结构。
本发明提供了上述方案所述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
对衬底进行预处理；
将所述陷光增效结构固定在预处理后的衬底表面。
优选的，所述对衬底进行预处理的方法为：将所述衬底依次在水、丙酮和乙醇中进行超声处理后吹干，将吹干的衬底进行紫外臭氧处理。
优选的，所述固定的方法为：所用绝缘粘结材料将所述陷光增效结构的边缘粘结在衬底表面。
本发明提供了一种陷光增效结构，包括顺排碳纳米管膜和附着在顺排碳纳米管膜单侧表面或双侧表面的增效膜；所述增效膜为二氧化钛膜或银膜。二氧化钛膜可以明显降低顺排碳纳米管膜对太阳光的吸收，避免太阳光能量的损耗，使太阳能最大限度的被利用；而银膜中的银颗粒受到入射光的辐射后会激发出局域表面等离子体局域共振效应，该共振效应对顺排碳纳米管膜表面的电磁场产生表面场增强效应，使纵向入射的太阳光耦合成横向传播的光，延长光子的传播长度，从而使陷光增效结构具有更好的陷光性能。进一步的，本发明的陷光增效结构为纳米级尺寸，可以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上，解决了现有技术中的陷光增效结构的陷光效果不明显，且厚度较大难以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上的问题。实施例结果表明，包括本发明陷光增效结构的太阳能电池对入射光的反射率明显低于平面晶硅太阳能电池。
附图说明
图1为本发明陷光增效结构截面的示意图；其中1为顺排碳纳米管膜，2为增效膜；
图2为本发明实施例1制备的陷光增效结构的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1制备的陷光增效结构的透射电镜图；
图4为实施例1～2及对比例1～2的太阳能电池的反射率随波长的变化图。
具体实施方式
本发明提供了一种陷光增效结构，包括顺排碳纳米管膜和附着在顺排碳纳米管膜单侧表面或双侧表面的增效膜；所述增效膜为二氧化钛膜或银膜；当所述增效膜附着在顺排碳纳米管膜双侧表面时，所述陷光增效结构的截面示意图如图1所示，其中1为顺排碳纳米管膜，2为增效膜。
在本发明中，所述顺排碳纳米管膜由若干根延伸方向相同的碳纳米管组成，碳纳米管平行设置形成顺排碳纳米管膜；在本发明中，所述顺排碳纳米管膜的厚度优选为50～300nm，更优选为100～250nm，进一步优选为150～200nm；所述顺排碳纳米管膜中碳纳米管的内径优选为30～50nm，更优选为35～45nm，所述碳纳米管壁厚优选为10～20nm，更优选为13～18nm，进一步优选为15nm。顺排碳纳米管具有二维周期性的光栅结构，光栅结构具有减反射、偏振双折射效应和散射作用，纳米尺度的光栅结构能使表面发射的太阳光减少，因而能够起到陷光作用，能够吸收更多的太阳能，提高太阳能电池对太阳能的利用率；本发明对所述顺排碳纳米管膜的来源没有特殊要求，使用市售的顺排碳纳米管膜即可。
在本发明中，所述增效膜为二氧化钛膜或银膜；所述增效膜附着在顺排碳纳米管膜单侧表面或双侧表面，当所述增效膜附着在顺排碳纳米管膜的双侧表面时，具体可以为：顺排碳纳米管膜的双侧表面均为二氧化钛膜、顺排碳纳米管膜的双侧表面均为银膜、顺排碳纳米管膜的一侧表面为二氧化钛膜，另一侧表面为银膜；当顺排碳纳米管膜的上下表面均附有二氧化钛膜时，能够更大程度地降低顺排碳纳米管膜对光的吸收损耗；当顺排碳纳米管膜的上下表面均附有银膜时，可以使银颗粒的局域表面等离子体共振效应更显著；当顺排碳纳米管膜的一侧表面为二氧化钛膜，另一侧表面为银膜时，可以兼具两者的优势，利用银的等离激元作用增强衬底等光吸收；利用二氧化钛的钝化作用降低碳纳米管和银自身的光损耗。纳米尺度的顺排碳纳米管膜具有较好的陷光性能，能够对太阳光进行折射和漫反射，但仍有部分太阳光被碳纳米管膜吸收，本发明在顺排碳纳米管膜表面设置二氧化钛膜和银膜，可以增强陷光增效结构的陷光效果，其中二氧化钛膜可以明显降低碳纳米管膜对太阳光的吸收，避免太阳光能量的损耗，使太阳能最大限度的被利用；而银膜中的银颗粒受到入射光的辐射后会激发出局域表面等离子体局域共振效应，该共振效应对碳纳米管膜表面的电磁场产生表面场增强效应，使纵向入射的太阳光耦合成横向传播的光，延长光子的传播长度，从而使陷光增效结构具有更好的陷光性能。
在本发明中，所述增效膜的厚度优选为30～100nm，在本发明的具体实施例中，当所述增效膜为二氧化钛膜时，其厚度优选为40～45nm，当所述增效膜为银膜时，其厚度优选为58～62nm。在本发明中，当二氧化钛膜或者银膜的厚度小于30nm时，其对顺排碳纳米管膜的损耗的减弱效果很有限，且局域共振效应较弱；当二氧化钛膜或者银膜的厚度大于100nm时，膜的表面较完美，对太阳光的反射率升高，所以对太阳光的利用率会降低；本发明将增效膜的厚度设置在上述范围内，能够提高陷光增效结构的陷光效果，降低对入射光的反射率。
在本发明中，所述陷光增效结构的总厚度为顺排碳纳米管厚度和增效膜厚度的叠加。本发明提供的陷光增效结构为纳米级尺寸，厚度较小，应用在太阳能电池中可以减小太阳能电池的厚度，解决现有技术中的陷光增效结构厚度较大难以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上的问题。
本发明还提供了上述方案所述陷光增效结构的制备方法，包括以下步骤：
通过磁控溅射在顺排碳纳米管膜的单侧表面或双侧表面镀制增效膜。
在本发明中，所述磁控溅射的溅射速率优选为 进一步优选为所述磁控溅射的真空度优选低于10-5Pa。
在本发明中，当所述增效膜为二氧化钛膜时，所述磁控溅射用靶材优选为纯度≥99.99％的二氧化钛靶材，在顺排碳纳米管膜单侧表面的镀制时间优选为40～120min，更优选为50～100min，进一步优选为60～80min；当所述增效膜为银膜时，所述磁控溅射用靶材优选为纯度≥99.99％的银靶材，在顺排碳纳米管膜单侧表面的镀制时间优选为8～24min，更优选为10～20min。本发明通过控制镀制的时间来控制二氧化钛膜和银膜的厚度；在本发明中，所述磁控溅射优选在氩气保护条件下进行。
在本发明的具体实施例中，优选将所述顺排碳纳米管膜放置在磁控溅射仪的样品台上，先在顺排碳纳米管膜的一面进行镀制，镀制完成后，再进行另一面的镀制。
本发明提供了一种太阳能电池，包括衬底和固定在衬底表面的上述方案所述的陷光增效结构。在本发明中，所述衬底优选包括硅衬底、砷化镓衬底、铜铟镓硒衬底或碲化镉衬底；所述硅衬底具体优选为单晶硅衬底、多晶硅衬底或非晶硅衬底；当所述衬底为单晶硅和多晶硅衬底时，所得太阳能电池为超薄晶硅太阳能电池，当所述衬底为非晶硅、砷化镓、铜铟镓硒或碲化镉时，所得太阳能电池为薄膜太阳能电池。本发明对所述衬底的厚度没有特殊要求，超薄的衬底也适用于本发明。本发明的陷光增效结构陷光性能好，可以使更多的太阳光被衬底利用，从而提高太阳能电池对太阳光的转化率。
本发明提供了上述方案所述太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
对衬底进行预处理；
将所述陷光增效结构固定在预处理后的衬底表面。
在本发明中，所述对衬底进行预处理的方法优选为：将所述衬底依次在水、丙酮和乙醇中进行超声处理后吹干，将吹干的衬底进行紫外臭氧处理。在本发明中，所述在水、丙酮和乙醇中进行超声处理的时间均优选为20min；所述吹干优选为在氮气气氛下吹干；所述紫外臭氧处理的时间优选为15min。
衬底预处理完成后，本发明将所述陷光增效结构固定在所述衬底表面。在本发明中，所述固定的方法优选为：所用绝缘粘结材料将所述陷光增效结构的边缘粘结在衬底表面；所述绝缘粘结材料优选为绝缘胶带。
下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将厚度70nm顺排碳纳米管膜(SACNT)放在磁控溅射仪的样品台上，在顺排碳纳米管膜的双面溅射银膜，每个面上银膜的厚度为30nm，溅射速率为得到陷光增效结构，总厚度为130nm。
使用扫描电镜对所得陷光增效结构进行观测，所得结果如图2所示，根据图2可以看出，所得陷光增效结构中的碳纳米管延伸方向相同，为顺排结构。
使用透射电镜对所得陷光增效结构进行观测，所得结果如图3所示，根据图3可以看出，碳纳米管表面附着有银膜。
将硅衬底依次在水、丙酮、乙醇各超声20min，氮气气氛下吹干，然后进行紫外臭氧处理15min，使用绝缘胶带将所得陷光增效结构固定在硅衬底表面，形成太阳能电池，记为SACNT+Ag。
实施例2
将厚度70nm顺排碳纳米管膜(SACNT)放在磁控溅射仪的样品台上，在顺排碳纳米管膜的双面溅射二氧化钛膜，每个面上二氧化钛膜的厚度为30nm，溅射速率为得到陷光增效结构，总厚度为130nm。
所得陷光增效结构进行观测，所得结果和实施例1相似。
将硅衬底依次在水、丙酮、乙醇各超声20min，氮气气氛下吹干，然后进行紫外臭氧处理15min，使用绝缘胶带将所得陷光增效结构固定在硅衬底表面，形成太阳能电池，记为SACNT+TiO2。
对比例1
(1)印刷电极
购买扩散好p-n结的尺寸为156mm×156mm×190μm(长×宽×厚度)的(100)晶面的p型单晶硅片，用刻刀把大硅片切成20mm×20mm的小片；然后，印刷每个小片的正面栅线电极，放入80℃的烘箱中干燥10min；最后，印刷每个小片的背电极(与正面栅线电极材料相同，均为导电银浆)，再放入80℃的烘箱中干燥10min。电极印刷完毕后，立即用乙酸丁酯棉球把丝网印刷版清洗干净。
(2)电极烧结
将印刷电极后的硅片进行烧结，得到平面晶硅太阳能电池；烧结过程分为预烧和烧结，预烧温度350℃，时间10s，预烧的目的是除去导电银浆中的有机物，烧结温度810℃，时间10s，烧结的目的是把银浆中微米级的银颗粒与硅形成合金，从而减小太阳能电池的接触电阻。所得平面晶硅太阳能电池记为c-Si solar cell。
对比例2
将硅衬底依次在水、丙酮、乙醇各超声20min，氮气气氛下吹干，然后进行紫外臭氧处理15min，使用绝缘胶带将厚度为70nm的顺排碳纳米管结构固定在硅衬底上，形成太阳能电池，记为SACNT。
反射率检测：
用U-4100固体紫外分光光度计测试实施例1～2和对比例1～2所得太阳能电池的反射率数据，测试波长为300～1200nm，所得结果如图4所示。
根据图4可以看出，表面设置有SACNT、SACNT+Ag和SACNT+TiO2的太阳能电池在各个波长下的反射率均明显低于平面晶硅太阳能电池，并且虽然表面设置有SACNT的太阳能电池也具有较低的反射率，但是仍有部分太阳光被SACNT吸收，在SACNT表面镀制银膜或二氧化钛膜后，所得太阳能电池的反射率进一步降低，从而使更多的太阳光被硅衬底利用，提高太阳能电池对太阳光的转化率。
实施例3
其他条件和实施例1相同，仅在SACNT单面镀制银膜，将所得陷光增效结构固定在硅衬底上，得到太阳能电池。
实施例4
其他条件和实施例2相同，仅在SACNT单面镀制二氧化钛膜，将所得陷光增效结构固定在硅衬底上，得到太阳能电池。
实施例5
其他条件和实施例1一致，仅在SACNT一侧面镀制银膜，另一侧面镀制二氧化钛膜，银膜和二氧化钛膜的厚度仅为30nm，将所得陷光增效结构固定在硅衬底上，得到太阳能电池。
按照上述方法对实施例3～5所得太阳能电池的反射率进行检测，检测结果显示，实施例3～5所得太阳能电池的反射率也明显低于表面设置有SACNT的太阳能电池以及平面晶硅太阳能电池。
根据以上实施例可知，本发明在顺排碳纳米光膜上镀制银膜或二氧化钛膜，所得陷光增效结构具有更好的陷光性能，并且本发明的陷光增效结构为纳米级尺寸，可以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上，解决了现有技术中的陷光增效结构的陷光效果不明显，且厚度较大难以应用在超薄晶硅太阳能电池或者薄膜太阳能电池上的问题，具有广阔的应用前景。
以上所述仅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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种陷光增效结构，其特征在于，包括顺排碳纳米管膜和附着在顺排碳纳米管膜单侧表面或双侧表面的增效膜；所述增效膜为二氧化钛膜或银膜。
2.根据权利要求1所述的陷光增效结构，其特征在于，所述顺排碳纳米管膜的厚度为50～300nm；所述顺排碳纳米管膜中碳纳米管的内径为30～50nm，壁厚为10～20nm。
3.根据权利要求1所述的陷光增效结构，其特征在于，所述增效膜的厚度为30～100nm。
4.权利要求1～3任意一项所述陷光增效结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过磁控溅射在顺排碳纳米管膜的单侧表面或双侧表面镀制增效膜。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射的溅射速率为真空度低于10-5Pa。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，当所述增效膜为二氧化钛膜时，在顺排碳纳米管膜单侧表面的镀制时间为40～120min；
当所述增效膜为银膜时，在顺排碳纳米管膜单侧表面的镀制时间为8～24min。
7.一种太阳能电池，其特征在于，包括衬底和固定在衬底表面的权利要求1～3任意一项所述的陷光增效结构。
8.权利要求7所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对衬底进行预处理；
将所述陷光增效结构固定在预处理后的衬底表面。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述对衬底进行预处理的方法为：将所述衬底依次在水、丙酮和乙醇中进行超声处理后吹干，将吹干的衬底进行紫外臭氧处理。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述固定的方法为：所用绝缘粘结材料将所述陷光增效结构的边缘粘结在衬底表面。
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