CN111029471B - 一种太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法,该方法包括以下步骤:在n型硅片的上表面制备硅纳米线阵列,接着对所述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Spiro‑OMeTAD层、第二Spiro‑OMeTAD层、第三Spiro‑OMeTAD层、金属银薄层、PEDOT:PSS层,在各Spiro‑OMeTAD层以及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Spiro‑OMeTAD和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以及背面电极。
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Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-15mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理10-15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-60—-70℃的环境中,并进行低温处理10-20分钟,形成第一Spiro-OMeTAD层;
4)第二Spiro-OMeTAD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Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理5-10分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-65—-75℃的环境中,并进行低温处理5-15分钟,形成第二Spiro-OMeTAD层;
5)第三Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为1-5mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理3-8分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70—-80℃的环境中,并进行低温处理5-10分钟,形成第三Spiro-OMeTAD层;
6)接着在所述第三Spiro-OMeTAD层上蒸镀一金属银薄层,蒸镀的速率为1-2埃米/秒,蒸镀的时间为5-15秒;
7)PEDOT:PSS层的制备:在步骤6得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-20mg/ml的PEDOT:PSS溶液,并进行退火处理,所述退火处理包括:在升温速率为30-40℃/min的条件下升温至110-120℃,然后热处理10-15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70—-80℃的环境中,并进行低温处理10-20分钟,形成PEDOT:PSS层;
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备正面电极;
9)在步骤8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150-300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300-500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3000-4000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒;在所述步骤4)中,旋涂的转速为4000-5000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒;在所述步骤5)中,旋涂的转速为5000-6000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒。
作为优选,在所述步骤7)中,旋涂的转速为3000-4500转/分钟,旋涂的时间为1-2分钟。
作为优选,在所述步骤8)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9)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。
本发明还提出一种太阳能电池,其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Spiro-OMeTAD层、第二Spiro-OMeTAD层、第三Spiro-OMeTAD层以及第一PEDOT:PSS层,通过优化空穴传输层的材料以及结构,且在各Spiro-OMeTAD层以及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Spiro-OMeTAD和PEDOT:PSS紧紧贴附于硅纳米线的表面,由于Spiro-OMeTAD为小分子结构,其体积较小,有利于渗透到硅纳米线的间隙中,因此通过依次旋涂浓度逐渐降低的Spiro-OMeTAD溶液,方便其在硅纳米线表面附着的同时,有效修饰了Spiro-OMeTAD的成膜性能,进而得到高质量的Spiro-OMeTAD层和PEDOT:PSS层,有效避免硅纳米线裸露进而与电极直接接触。通过优化各Spiro-OMeTAD层和PEDOT:PSS层的具体退火工艺,有效提高了该太阳能电池光电转换效率。
附图说明
图1为本发明的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150-300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300-500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Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-15mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理10-15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-60—-70℃的环境中,并进行低温处理10-20分钟,形成第一Spiro-OMeTAD层。
4)第二Spiro-OMeTAD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Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理5-10分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-65—-75℃的环境中,并进行低温处理5-15分钟,形成第二Spiro-OMeTAD层。
5)第三Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为1-5mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理3-8分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70—-80℃的环境中,并进行低温处理5-10分钟,形成第三Spiro-OMeTAD层。
其中,在所述步骤3)中,旋涂的转速为3000-4000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒;在所述步骤4)中,旋涂的转速为4000-5000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒;在所述步骤5)中,旋涂的转速为5000-6000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒。
6)接着在所述第三Spiro-OMeTAD层上蒸镀一金属银薄层,蒸镀的速率为1-2埃米/秒,蒸镀的时间为5-15秒。
7)PEDOT:PSS层的制备:在步骤6得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-20mg/ml的PEDOT:PSS溶液,并进行退火处理,所述退火处理包括:在升温速率为30-40℃/min的条件下升温至110-120℃,然后热处理10-15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70—-80℃的环境中,并进行低温处理10-20分钟,形成PEDOT:PSS层,在所述步骤7)中,旋涂的转速为3000-4500转/分钟,旋涂的时间为1-2分钟。
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备正面电极,在所述步骤8)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。
9)在步骤8得到的所述n型硅片上制备背面电极,在所述步骤9)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。
本发明还提出一种太阳能电池,其采用上述方法制备形成的。所述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、Spiro-OMeTAD层4(其包括第一、第二、第三Spiro-OMeTAD层)、金属银薄层5、PEDOT:PSS层6以及正面电极7。
实施例1:
一种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220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Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为12mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在70℃下热处理12分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-65℃的环境中,并进行低温处理15分钟,形成第一Spiro-OMeTAD层。
4)第二Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤3得到的n型硅片的正面旋涂浓度为8mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在70℃下热处理8分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70℃的环境中,并进行低温处理10分钟,形成第二Spiro-OMeTAD层。
5)第三Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为3mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在70℃下热处理5分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-75℃的环境中,并进行低温处理7分钟,形成第三Spiro-OMeTAD层。
其中,在所述步骤3)中,旋涂的转速为3500转/分钟,旋涂的时间为75秒;在所述步骤4)中,旋涂的转速为45000转/分钟,旋涂的时间为75秒;在所述步骤5)中,旋涂的转速为5500转/分钟,旋涂的时间为75秒。
6)接着在所述第三Spiro-OMeTAD层上蒸镀一金属银薄层,蒸镀的速率为1.5埃米/秒,蒸镀的时间为10秒。
7)PEDOT:PSS层的制备:在步骤6得到的n型硅片的正面旋涂浓度为15mg/ml的PEDOT:PSS溶液,并进行退火处理,所述退火处理包括:在升温速率为35℃/min的条件下升温至115℃,然后热处理12分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-75℃的环境中,并进行低温处理15分钟,形成PEDOT:PSS层,在所述步骤7)中,旋涂的转速为4000转/分钟,旋涂的时间为1.5分钟。
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备正面电极,在所述步骤8)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。
9)在步骤8得到的所述n型硅片上制备背面电极,在所述步骤9)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。
上述方法制备的太阳能电池的开路电压为0.62V,短路电流为36.1mA/cm2,填充因子为0.74,光电转换效率为16.6%。
实施例2
一种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300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500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Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为15mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在80℃下热处理10分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-60℃的环境中,并进行低温处理10分钟,形成第一Spiro-OMeTAD层。
4)第二Spiro-OMeTAD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Spiro-OMeTAD溶液,接着在80℃下热处理5分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-65℃的环境中,并进行低温处理8分钟,形成第二Spiro-OMeTAD层。
5)第三Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为5mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在80℃下热处理3分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70℃的环境中,并进行低温处理5分钟,形成第三Spiro-OMeTAD层。
其中,在所述步骤3)中,旋涂的转速为4000转/分钟,旋涂的时间为60秒;在所述步骤4)中,旋涂的转速为5000转/分钟,旋涂的时间为60秒;在所述步骤5)中,旋涂的转速为6000转/分钟,旋涂的时间为60秒。
6)接着在所述第三Spiro-OMeTAD层上蒸镀一金属银薄层,蒸镀的速率为1埃米/秒,蒸镀的时间为10秒。
7)PEDOT:PSS层的制备:在步骤6得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10mg/ml的PEDOT:PSS溶液,并进行退火处理,所述退火处理包括:在升温速率为40℃/min的条件下升温至110℃,然后热处理15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70℃的环境中,并进行低温处理10分钟,形成PEDOT:PSS层,在所述步骤7)中,旋涂的转速为3000转/分钟,旋涂的时间为1分钟。
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备正面电极,在所述步骤8)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。
9)在步骤8得到的所述n型硅片上制备背面电极,在所述步骤9)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。
上述方法制备的太阳能电池的开路电压为0.61V,短路电流为35.3mA/cm2,填充因子为0.73,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 (6)
1.一种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Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-15mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理10-15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-60—-70℃的环境中,并进行低温处理10-20分钟,形成第一Spiro-OMeTAD层;
4)第二Spiro-OMeTAD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Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理5-10分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-65—-75℃的环境中,并进行低温处理5-15分钟,形成第二Spiro-OMeTAD层;
5)第三Spiro-OMeTAD层的制备:在步骤4得到的n型硅片的正面旋涂浓度为1-5mg/ml的Spiro-OMeTAD溶液,接着在60-80℃下热处理3-8分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70—-80℃的环境中,并进行低温处理5-10分钟,形成第三Spiro-OMeTAD层;
6)接着在所述第三Spiro-OMeTAD层上蒸镀一金属银薄层,蒸镀的速率为1-2埃米/秒,蒸镀的时间为5-15秒;
7)PEDOT:PSS层的制备:在步骤6得到的n型硅片的正面旋涂浓度为10-20mg/ml的PEDOT:PSS溶液,并进行退火处理,所述退火处理包括:在升温速率为30-40℃/min的条件下升温至110-120℃,然后热处理10-15分钟,接着将热处理后的该n型硅片放置于温度为-70—-80℃的环境中,并进行低温处理10-20分钟,形成PEDOT:PSS层;
8)在步骤7得到的所述n型硅片上制备正面电极;
9)在步骤8得到的所述n型硅片上制备背面电极;
其中,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150-300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300-500纳米;在所述步骤3)中,旋涂的转速为3000-4000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒;在所述步骤4)中,旋涂的转速为4000-5000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒;在所述步骤5)中,旋涂的转速为5000-6000转/分钟,旋涂的时间为60-90秒。
2.根据权利要求1所述的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。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法,其特征在于:在所述步骤7)中,旋涂的转速为3000-4500转/分钟,旋涂的时间为1-2分钟。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法,其特征在于:在所述步骤8)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。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池的制备方法,其特征在于:在所述步骤9)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。
6.一种太阳能电池,其特征在于,其采用权利要求1-5任一项所述的方法制备形成的。
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