CN111029433B - 一种硅基异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基异质结太阳能电池及其制备方法，其方法包括以下步骤：在n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列，对所述n型硅片的上表面进行钝化处理，接着在所述n型硅片的表面依次制备第一PEDOT:PSS层、第二PEDOT:PSS层、第三PEDOT:PSS层、第四PEDOT:PSS层，在各PEDOT:PSS层的退火过程中通过将热处理后的n型硅片立刻置于低温环境中，并进行低温处理一段时间，通过低温处理可以将PEDOT:PSS紧紧贴附于硅纳米线的表面，接着在所述n型硅片上制备正面电极和背面电极。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种硅基异质结太阳能电池及其制备方法。
背景技术
现有的硅/导电聚合物异质结太阳能电池的制备过程中，通常是直接在硅基底上直接旋涂导电聚合物材料，然后再进行简单的热处理后就直接蒸镀电极。然而在以硅纳米线作为基底的硅/导电聚合物异质结太阳能电池的制备过程中，硅纳米线与导电聚合物层之间的接触问题，是研究人员的研究热点。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种硅基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基异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一n型硅片，在所述n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列；
2)接着对所述n型硅片的上表面进行钝化处理；
3)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为1-5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第一次退火处理，所述第一次退火处理包括：在升温速率为30-40℃/min的条件下升温至125-135℃，然后热处理5-10分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-50—-60℃的环境中，并进行低温处理5-10分钟，形成第一PEDOT:PSS层；
4)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂浓度为5-10mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第二次退火处理，所述第二次退火处理包括：在升温速率为35-45℃/min的条件下升温至130-140℃，然后热处理10-15分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-60—-70℃的环境中，并进行低温处理10-15分钟，形成第二PEDOT:PSS层；
5)第三PEDOT:PSS层的制备：在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-15mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第三次退火处理，所述第三次退火处理包括：在升温速率为40-50℃/min的条件下升温至135-145℃，然后热处理15-20分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-65—-75℃的环境中，并进行低温处理15-20分钟，形成第三PEDOT:PSS层；
6)第四PEDOT:PSS层的制备：在步骤5得到的n型硅片的正面旋涂浓度为15-20mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第四次退火处理，所述第四次退火处理包括：在升温速率为50-60℃/min的条件下升温至145-155℃，然后热处理20-25分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-70—-80℃的环境中，并进行低温处理15-20分钟，形成第四PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片上制备正面电极；
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备背面电极。
作为优选，在所述步骤1中，在所述n型硅片的上表面通过湿法刻蚀或者干法刻蚀制备所述硅纳米线阵列，所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的直径为100-200纳米，单个硅纳米线的长度为1-2微米，相邻硅纳米线之间的间距为200-400纳米。
作为优选，在所述步骤2)中，对所述n型硅片进行钝化处理的具体步骤为：将所述n型硅片在HF中浸泡3-6分钟，然后将氢化的所述n型硅片在饱和的五氯化磷的氯苯溶液中进行氯化处理，使得硅-氢键变为硅-氯键，然后对所述n型硅片在甲基氯化镁的四氢呋喃溶液中进行甲基化处理，使得硅-氯键变为硅碳键，以钝化所述n型硅片。
作为优选，在所述步骤3)中，旋涂的转速为4500-5500转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤4)中，旋涂的转速为4000-5000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤5)中，旋涂的转速为3500-4500转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤6)中，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟。
作为优选，在所述步骤7)中，形成正面电极的方法为热蒸镀、磁控溅射和电子束蒸镀中的一种，所述正面电极的材料为铜或银，所述正面电极的厚度为100-200纳米，所述正面电极为栅电极。
作为优选，在所述步骤8)中，形成背面电极的方法为热蒸镀、磁控溅射和电子束蒸镀中的一种，所述背面电极的材料为铝，所述背面电极的厚度为100-200纳米。
本发明还提出一种硅基异质结太阳能电池，所述硅基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：
在硅纳米线阵列上依次制备第一PEDOT:PSS层、第二PEDOT:PSS层、第三PEDOT:PSS层、第四PEDOT:PSS层，通过优化PEDOT:PSS的层数，且在各PEDOT:PSS层的退火过程中通过将热处理后的n型硅片立刻置于低温环境中，并进行低温处理一段时间，通过低温处理可以将PEDOT:PSS紧紧贴附于硅纳米线的表面，且通过依次旋涂浓度逐渐增加的PEDOT:PSS溶液，以方便在硅纳米线表面附着，进而得到高质量的导电聚合物，有效避免硅纳米线裸露进而与电极直接接触。通过优化各PEDOT:PSS层的具体退火工艺，有效提高了硅基异质结太阳能电池光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的硅基异质结太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明具体提出的一种硅基异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一n型硅片，在所述n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列，在所述步骤1中，在所述n型硅片的上表面通过湿法刻蚀或者干法刻蚀制备所述硅纳米线阵列，所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的直径为100-200纳米，单个硅纳米线的长度为1-2微米，相邻硅纳米线之间的间距为200-400纳米。
2)接着对所述n型硅片的上表面进行钝化处理，在所述步骤2)中，对所述n型硅片进行钝化处理的具体步骤为：将所述n型硅片在HF中浸泡3-6分钟，然后将氢化的所述n型硅片在饱和的五氯化磷的氯苯溶液中进行氯化处理，使得硅-氢键变为硅-氯键，然后对所述n型硅片在甲基氯化镁的四氢呋喃溶液中进行甲基化处理，使得硅-氯键变为硅碳键，以钝化所述n型硅片。
3)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为1-5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第一次退火处理，所述第一次退火处理包括：在升温速率为30-40℃/min的条件下升温至125-135℃，然后热处理5-10分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-50—-60℃的环境中，并进行低温处理5-10分钟，形成第一PEDOT:PSS层；
4)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂浓度为5-10mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第二次退火处理，所述第二次退火处理包括：在升温速率为35-45℃/min的条件下升温至130-140℃，然后热处理10-15分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-60—-70℃的环境中，并进行低温处理10-15分钟，形成第二PEDOT:PSS层；
5)第三PEDOT:PSS层的制备：在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-15mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第三次退火处理，所述第三次退火处理包括：在升温速率为40-50℃/min的条件下升温至135-145℃，然后热处理15-20分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-65—-75℃的环境中，并进行低温处理15-20分钟，形成第三PEDOT:PSS层；
6)第四PEDOT:PSS层的制备：在步骤5得到的n型硅片的正面旋涂浓度为15-20mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第四次退火处理，所述第四次退火处理包括：在升温速率为50-60℃/min的条件下升温至145-155℃，然后热处理20-25分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-70—-80℃的环境中，并进行低温处理15-20分钟，形成第四PEDOT:PSS层。
其中，在所述步骤3)中，旋涂的转速为4500-5500转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤4)中，旋涂的转速为4000-5000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤5)中，旋涂的转速为3500-4500转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤6)中，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟。
7)在步骤6得到的所述n型硅片上制备正面电极，在所述步骤7)中，形成正面电极的方法为热蒸镀、磁控溅射和电子束蒸镀中的一种，所述正面电极的材料为铜或银，所述正面电极的厚度为100-200纳米，所述正面电极为栅电极。
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备背面电极，在所述步骤8)中，形成背面电极的方法为热蒸镀、磁控溅射和电子束蒸镀中的一种，所述背面电极的材料为铝，所述背面电极的厚度为100-200纳米。
本发明还提出一种硅基异质结太阳能电池，所述硅基异质结太阳能电池为采用上述方法制备形成的。如图1所示，所述硅基异质结太阳能电池从下至上背面电极1、n型硅片2、硅纳米线阵列3、PEDOT:PSS层4以及正面电极5。
实施例1：
一种硅基异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一n型硅片，在所述n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列，在所述步骤1中，在所述n型硅片的上表面通过湿法刻蚀或者干法刻蚀制备所述硅纳米线阵列，所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的直径约为150纳米，单个硅纳米线的长度约为1.5微米，相邻硅纳米线之间的间距约为300纳米。
2)接着对所述n型硅片的上表面进行钝化处理，在所述步骤2)中，对所述n型硅片进行钝化处理的具体步骤为：将所述n型硅片在HF中浸泡5分钟，然后将氢化的所述n型硅片在饱和的五氯化磷的氯苯溶液中进行氯化处理，使得硅-氢键变为硅-氯键，然后对所述n型硅片在甲基氯化镁的四氢呋喃溶液中进行甲基化处理，使得硅-氯键变为硅碳键，以钝化所述n型硅片。
3)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为3mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第一次退火处理，所述第一次退火处理包括：在升温速率为35℃/min的条件下升温至130℃，然后热处理7分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-55℃的环境中，并进行低温处理7分钟，形成第一PEDOT:PSS层；
4)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂浓度为7mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第二次退火处理，所述第二次退火处理包括：在升温速率为40℃/min的条件下升温至135℃，然后热处理12分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-65℃的环境中，并进行低温处理12分钟，形成第二PEDOT:PSS层；
5)第三PEDOT:PSS层的制备：在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为12mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第三次退火处理，所述第三次退火处理包括：在升温速率为45℃/min的条件下升温至140℃，然后热处理18分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-70℃的环境中，并进行低温处理16分钟，形成第三PEDOT:PSS层；
6)第四PEDOT:PSS层的制备：在步骤5得到的n型硅片的正面旋涂浓度为17mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第四次退火处理，所述第四次退火处理包括：在升温速率为55℃/min的条件下升温至150℃，然后热处理22分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-75℃的环境中，并进行低温处理17分钟，形成第四PEDOT:PSS层。
其中，在所述步骤3)中，旋涂的转速为5000转/分钟，旋涂的时间为1.5分钟；在所述步骤4)中，旋涂的转速为4500转/分钟，旋涂的时间为1.5分钟；在所述步骤5)中，旋涂的转速为4000转/分钟，旋涂的时间为1.5分钟；在所述步骤6)中，旋涂的转速为3500转/分钟，旋涂的时间为1.5分钟。
7)在步骤6得到的所述n型硅片上制备正面电极，在所述步骤7)中，形成正面电极的方法为热蒸镀，所述正面电极的材料为铜，所述正面电极的厚度为150纳米，所述正面电极为栅电极。
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备背面电极，在所述步骤8)中，形成背面电极的方法为热蒸镀，所述背面电极的材料为铝，所述背面电极的厚度为150纳米。
上述方法制备的硅基异质结太阳能电池的开路电压为0.62V，短路电流为35.3mA/cm2，填充因子为0.74，光电转换效率为16.2％。
实施例2
一种硅基异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)提供一n型硅片，在所述n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列，在所述步骤1中，在所述n型硅片的上表面通过湿法刻蚀或者干法刻蚀制备所述硅纳米线阵列，所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的直径约为200纳米，单个硅纳米线的长度约为2微米，相邻硅纳米线之间的间距约为400纳米。
2)接着对所述n型硅片的上表面进行钝化处理，在所述步骤2)中，对所述n型硅片进行钝化处理的具体步骤为：将所述n型硅片在HF中浸泡6分钟，然后将氢化的所述n型硅片在饱和的五氯化磷的氯苯溶液中进行氯化处理，使得硅-氢键变为硅-氯键，然后对所述n型硅片在甲基氯化镁的四氢呋喃溶液中进行甲基化处理，使得硅-氯键变为硅碳键，以钝化所述n型硅片。
3)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第一次退火处理，所述第一次退火处理包括：在升温速率为40℃/min的条件下升温至135℃，然后热处理5分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-50℃的环境中，并进行低温处理10分钟，形成第一PEDOT:PSS层；
4)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第二次退火处理，所述第二次退火处理包括：在升温速率为45℃/min的条件下升温至140℃，然后热处理10分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-60℃的环境中，并进行低温处理15分钟，形成第二PEDOT:PSS层；
5)第三PEDOT:PSS层的制备：在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为15mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第三次退火处理，所述第三次退火处理包括：在升温速率为50℃/min的条件下升温至145℃，然后热处理15分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-65℃的环境中，并进行低温处理20分钟，形成第三PEDOT:PSS层；
6)第四PEDOT:PSS层的制备：在步骤5得到的n型硅片的正面旋涂浓度为20mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第四次退火处理，所述第四次退火处理包括：在升温速率为60℃/min的条件下升温至155℃，然后热处理20分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-70℃的环境中，并进行低温处理20分钟，形成第四PEDOT:PSS层。
其中，在所述步骤3)中，旋涂的转速为5500转/分钟，旋涂的时间为1分钟；在所述步骤4)中，旋涂的转速为5000转/分钟，旋涂的时间为1分钟；在所述步骤5)中，旋涂的转速为4500转/分钟，旋涂的时间为1分钟；在所述步骤6)中，旋涂的转速为4000转/分钟，旋涂的时间为1分钟。
7)在步骤6得到的所述n型硅片上制备正面电极，在所述步骤7)中，形成正面电极的方法为热蒸镀，所述正面电极的材料为银，所述正面电极的厚度为200纳米，所述正面电极为栅电极。
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备背面电极，在所述步骤8)中，形成背面电极的方法为热蒸镀，所述背面电极的材料为铝，所述背面电极的厚度为200纳米。
上述方法制备的硅基异质结太阳能电池的开路电压为0.61V，短路电流为34.7mA/cm2，填充因子为0.74，光电转换效率为15.7％。
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 (7)
1.一种硅基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)提供一n型硅片，在所述n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列；
2)接着对所述n型硅片的上表面进行钝化处理；
3)第一PEDOT:PSS层的制备：在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为1-5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第一次退火处理，所述第一次退火处理包括：在升温速率为30-40℃/min的条件下升温至125-135℃，然后热处理5-10分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-50—-60℃的环境中，并进行低温处理5-10分钟，形成第一PEDOT:PSS层；
4)第二PEDOT:PSS层的制备：在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂浓度为5-10mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第二次退火处理，所述第二次退火处理包括：在升温速率为35-45℃/min的条件下升温至130-140℃，然后热处理10-15分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-60—-70℃的环境中，并进行低温处理10-15分钟，形成第二PEDOT:PSS层；
5)第三PEDOT:PSS层的制备：在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-15mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第三次退火处理，所述第三次退火处理包括：在升温速率为40-50℃/min的条件下升温至135-145℃，然后热处理15-20分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-65—-75℃的环境中，并进行低温处理15-20分钟，形成第三PEDOT:PSS层；
6)第四PEDOT:PSS层的制备：在步骤5得到的n型硅片的正面旋涂浓度为15-20mg/ml的PEDOT:PSS溶液，并进行第四次退火处理，所述第四次退火处理包括：在升温速率为50-60℃/min的条件下升温至145-155℃，然后热处理20-25分钟，接着将热处理后的该n型硅片立刻置于温度为-70—-80℃的环境中，并进行低温处理15-20分钟，形成第四PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片上制备正面电极；
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备背面电极。
2.根据权利要求1所述的硅基异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，在所述n型硅片的上表面通过湿法刻蚀或者干法刻蚀制备所述硅纳米线阵列，所述硅纳米线阵列中单个硅纳米线的直径为100-200纳米，单个硅纳米线的长度为1-2微米，相邻硅纳米线之间的间距为200-400纳米。
3.根据权利要求1所述的硅基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，对所述n型硅片进行钝化处理的具体步骤为：将所述n型硅片在HF中浸泡3-6分钟，然后将氢化的所述n型硅片在饱和的五氯化磷的氯苯溶液中进行氯化处理，使得硅-氢键变为硅-氯键，然后对所述n型硅片在甲基氯化镁的四氢呋喃溶液中进行甲基化处理，使得硅-氯键变为硅碳键，以钝化所述n型硅片。
4.根据权利要求1所述的硅基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4500-5500转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤4)中，旋涂的转速为4000-5000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤5)中，旋涂的转速为3500-4500转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟；在所述步骤6)中，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，旋涂的时间为1-2分钟。
5.根据权利要求1所述的硅基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，形成正面电极的方法为热蒸镀、磁控溅射和电子束蒸镀中的一种，所述正面电极的材料为铜或银，所述正面电极的厚度为100-200纳米，所述正面电极为栅电极。
6.根据权利要求1所述的硅基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，形成背面电极的方法为热蒸镀、磁控溅射和电子束蒸镀中的一种，所述背面电极的材料为铝，所述背面电极的厚度为100-200纳米。
7.一种硅基异质结太阳能电池，其特征在于，所述硅基异质结太阳能电池为采用权利要求1-6任一项所述的方法制备形成的。
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