CN111748241A - 太阳电池用的墨及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳电池用的墨，由以下组分的原料制备而成：有机钝化材料50~1000重量份；低维导电材料0.4~1.6重量份；分散溶剂0~950重量份；所述有机钝化材料选自聚苯乙烯磺酸、全氟磺酸、二壬基萘二磺酸、Ps‑b‑PERB、3‑吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸中的一种或多种。与现有技术相比，本发明提供的太阳电池用的墨采用特定有机钝化材料，配合特定含量的低维导电材料，实现较好的相互作用，产品同时具有钝化效果、选择性传输光生载流子特性和高导电性，形成的纳米级薄膜用于硅太阳电池，成本低、效率高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体地说是涉及一种太阳电池用的墨及其制备方法和应用。
背景技术
流体材料在太阳电池中的起着重要作用，例如，使用丝网印刷和烧结等手段，在硅片表面制备金属化电极、背场，从而将光生载流子导出电极；又比如，硅太阳电池丝网印刷硼浆料或者磷浆料高温扩散形成一个重掺p+区或者n+区，实现载流子选择传输。
太阳电池片表面丝网印刷银浆、铝浆、银铝浆，经过高温烧结后得到栅线电极或背场。然而对于部分不耐高温的基材，如果采用传统的高温浆料，有可能会破坏基材的结构，降低产品的最终性能；例如，具有非晶硅薄膜层的异质结太阳能电池，其所有的加工过程都需要在低温(小于220℃)下进行，如果采用传统高温烧结浆料制造电极，则会导致电池片性能的降低。而且，金-半接触形成金属化欧姆接触，这种严重的界面复合限制晶硅的转换效率。针对上述技术问题，需要结合真空技术制备的介电钝化材料辅以激光开槽技术，形成局部接触，采用局部钝化的方式制备的介电钝化薄膜，尽管能够实现较高的电池转换效率，但制备工艺复杂，而且还伴有高真空重设备，成本较高。
因此，开发一种低温或室温下本身就具有类似介电薄膜的钝化效果，同时具有导电性能，还可选择性地传输光生载流子，实现高效率的太阳电池用的材料，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳电池用的墨及其制备方法和应用，本发明提供的太阳电池用的墨同时具有钝化效果、选择性传输光生载流子特性和高导电性，形成的纳米级薄膜用于硅太阳电池，成本低、效率高。
本发明提供了一种太阳电池用的墨，由以下组分的原料制备而成：
有机钝化材料50～1000重量份；
低维导电材料0.4～1.6重量份；
分散溶剂0～950重量份；
所述有机钝化材料选自聚苯乙烯磺酸、全氟磺酸、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸中的一种或多种。
所述低维导电材料选自石墨烯、MoS2、黑磷、WSe2纳米管、碳纳米管、六方氮化硼和MXene中的一种或多种。
所述分散溶剂选自水、乙醇、异丙醇、1-丙醇、异丁醇和二氯乙烷中的一种或多种。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的太阳电池用的墨的制备方法，将有机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂进行高速分散，得到太阳电池用的墨。
所述高速分散的装置为高速组织匀浆机。
所述高速分散的转速为8000～35000rpm，时间为1～3h。
本发明还提供了一种太阳电池用钝化导电薄膜，采用上述技术方案所述的太阳电池用的墨在基体上涂布而成。
优选的，所述涂布的方式为狭缝涂布、3D打印、喷涂或旋涂。
优选的，所述太阳电池用导电钝化薄膜的厚度为50nm～2000nm，少子寿命为0.2ms～30ms。
优选的，所述太阳电池用导电钝化薄膜在AM 1.5光照、氧气氛围或外置偏压的条件下，少子寿命增加。
与现有技术相比，本发明提供的太阳电池用的墨采用特定有机钝化材料，配合特定含量的低维导电材料，实现较好的相互作用，产品同时具有钝化效果、选择性传输光生载流子特性和高导电性，形成的纳米级薄膜用于硅太阳电池，成本低、效率高。
另外，本发明提供的制备方法工艺简单，可直接涂于硅片表面，消除高温工艺和高真空重装备的使用，实现了一种低成本、高效率的新型太阳电池技术。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的不同浓度的墨水旋涂后的硅片的少子寿命曲线。
图2为本发明实施例1中太阳电池结构图；其中，1为底电极，2为墨水，3为n型硅，4为n+，5为SiNx，6为顶电极。
图3为本发明实施例1中碳纳米管为4mg的墨水所制备的太阳电池的I-V曲线。
图4为本发明实施例2提供的墨水涂布后的硅片的少子寿命曲线。
图5为本发明实施例3提供的墨水涂布后的硅片的少子寿命曲线。
图6为本发明的物理机理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种太阳电池用的墨，由包括以下组分的原料制备而成：
有机钝化材料50重量份～1000重量份；
低维导电材料0.4重量份～1.6重量份；
分散溶剂0～950重量份；
所述有机钝化材料选自聚苯乙烯磺酸、全氟磺酸、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸中的一种或多种。
在本发明中，所述太阳电池用的墨包括有机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂，优选由有机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂组成。在本发明优选的实施例中，所述有机钝化材料本身具有分散溶剂的作用，在此基础上，所述太阳电池用的墨包括有机钝化材料和低维导电材料，优选由有机钝化材料和低维导电材料组成；即所述太阳电池用的墨包括0重量份的分散溶剂。
在本发明中，所述有机钝化材料选自聚苯乙烯磺酸(PSS)、全氟磺酸(Nafion)、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸(DBSA)中的一种或多种，优选为全氟磺酸(Nafion)、Ps-b-PERB和十二烷基苯磺酸(DBSA)中的一种或两种；具体结构式如下：
本发明对所述有机钝化材料的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述聚苯乙烯磺酸(PSS)、全氟磺酸(Nafion)、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸(DBSA)的市售商品即可。在本发明中，上述有机钝化材料中，聚苯乙烯磺酸(PSS)本身具有分散溶剂的作用，可不再加入分散溶剂；全氟磺酸(Nafion)、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸与分散溶剂配合使用。
在本发明中，所述太阳电池用的墨包括50重量份～1000重量份的有机钝化材料。
在本发明中，所述钝化是指：对于c-Si，Si半导体内部的Si原子彼此具有完美的共价键，但表面的原子总是有未配对的电子，即所谓的“悬挂”键；这些电子陷阱在硅片表面形成电荷载流子复合中心，是Si太阳中最致命的损耗机制之一；本发明采用上述特定种类的有机钝化材料可以与Si表面未配对的原子形成共价键，即钝化技术可以抑制Si表面的载流子复合。
在本发明中，所述低维导电材料优选选自石墨烯、MoS2、黑磷、WSe2纳米管、碳纳米管、六方氮化硼和MXene中的一种或多种，更优选为石墨烯、黑磷和碳纳米管中的一种或两种。本发明对所述低维导电材料的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的上述石墨烯、MoS2、黑磷、WSe2纳米管、碳纳米管、六方氮化硼和MXene的市售商品即可。
在本发明中，所述太阳电池用的墨包括0.4重量份～1.6重量份的低维导电材料。
在本发明中，所述分散溶剂优选选自水、乙醇、异丙醇、1-丙醇、异丁醇和二氯乙烷中的一种或多种。本发明对所述分散溶剂的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的市售商品即可。在本发明一个优选的实施例中，所述有机钝化材料为全氟磺酸(Nafion)，所述分散溶剂为水和有机醇；在本发明另一个优选的实施例中，所述有机钝化材料为二壬基萘二磺酸，所述分散溶剂为异丁醇(其中，异丁醇的质量百分比为45％)；在本发明另一个优选的实施例中，所述有机钝化材料为Ps-b-PERB，所述分散溶剂为1-丙醇和二氯乙烷；在本发明另一个优选的实施例中，所述有机钝化材料为3-吡啶磺酸，所述分散溶剂为水和乙醇；在本发明另一个优选的实施例中，所述有机钝化材料为十二烷基苯磺酸(DBSA)，所述分散溶剂为异丙醇。
在本发明中，所述太阳电池用的墨包括0～950重量份的分散溶剂，优选与上述有机钝化材料的重量份之和为1000重量份；即低维导电材料的质量：有机钝化材料和分散溶剂总质量优选为(0.4～1.6)：1000更优选为1：750。
本发明提供的太阳电池用的墨采用特定有机钝化材料，配合特定含量的低维导电材料，实现较好的相互作用，产品同时具有钝化效果、选择性传输光生载流子特性和高导电性，形成的纳米级薄膜用于硅太阳电池，成本低、效率高。
本发明还提供了一种上述技术方案所述的太阳电池用的墨的制备方法，将有机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂进行高速分散，得到太阳电池用的墨。
在本发明中，所述机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂与上述技术方案中所述的相同，在此不再赘述；另外，所述机钝化材料和分散溶剂可优先配置为机钝化材料的分散溶剂溶液，本发明对此没有特殊限制；如本领域技术人员熟知的Nafion溶液、二壬基萘二磺酸溶液、Ps-b-PERB溶液以及十二烷基苯磺酸溶液。
在本发明中，所述高速分散的装置优选为高速组织匀浆机，可通过搅拌实现有机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂的充分均匀分散；本发明对所述高速分散的温度没有特殊限制，采用室温或室温以下的低温均可。
在本发明中，所述高速分散的转速优选为8000rpm～35000rpm，更优选为30000rpm；所述高速分散的时间优选为1h～3h，更优选为2h。
在本发明中，得到的太阳电池用的墨通过接触角测试仪测试其接触角，接触角为8°～60°；得到的太阳电池用的墨涂肖特玻璃，通过薄膜直线四探针测试仪设备测试其电导率，电导率为0.01S/cm～4000S/cm。
本发明提供的制备方法工艺简单，可直接涂于硅片表面，消除高温工艺和高真空重装备的使用，实现了一种低成本、高效率的新型太阳电池技术。
本发明还提供了一种太阳电池用导电钝化薄膜，采用上述技术方案所述的太阳电池用的墨在基体上涂布而成；所述太阳电池用钝化导电薄膜，用于硅太阳电池，同时具有钝化界面缺陷态和选择性传输光生载流子的功能。
本发明对所述基体的种类和来源没有特殊限制；在本发明优选的实施例中，所述基体为硅基体，具体采用本领域技术人员熟知的用于制备太阳电池的硅基体即可，如n型高阻双抛硅片。在本发明中，所述涂布的方式优选为狭缝涂布、3D打印、喷涂或旋涂；基体上仅需刷一层即可制备薄膜，进一步说明本发明提供的太阳电池用的墨适用广泛。
在本发明中，所述太阳电池用钝化导电薄膜的厚度优选为50nm～2000nm，少子寿命(室温下)优选为0.2ms～30ms，更优选为4.5ms～10ms。
在本发明中，所述太阳电池用钝化导电薄膜在AM 1.5光照、氧气氛围或正向偏压的条件下，少子寿命增加。
本发明提供了一种太阳电池用的墨，由包括以下组分的原料制备而成：有机钝化材料50重量份～1000重量份；低维导电材料0.4重量份～1.6重量份；分散溶剂0～950重量份；所述有机钝化材料选自聚苯乙烯磺酸、全氟磺酸、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸中的一种或多种。与现有技术相比，本发明提供的太阳电池用的墨采用特定有机钝化材料，配合特定含量的低维导电材料，实现较好的相互作用，产品同时具有钝化效果、选择性传输光生载流子特性和高导电性，形成的纳米级薄膜用于硅太阳电池，成本低、效率高。另外，本发明提供的制备方法工艺简单，可直接涂于硅片表面，消除高温工艺和高真空重装备的使用，实现了一种低成本、高效率的新型太阳电池技术。
为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例中所用的原料均为市售商品；其中，所用的Nafion溶液由5wt％的Nafion、45wt％的水和50wt％的有机醇组成；所用的Ps-b-PERB溶液由5wt％的Ps-b-PERB和95wt％的1-丙醇和二氯乙烷组成；所用的十二烷基苯磺酸(DBSA)溶液由70wt％的十二烷基苯磺酸和30wt％的异丙醇组成。
实施例1
分别将4.8mg、4mg、3mg、2mg、1.2mg的碳纳米管溶于3g Nafion溶液，室温下采用高速组织匀浆机以30000rpm的转速搅拌2h，得到不同浓度的太阳电池用的墨。
采用旋涂法将实施例1提供的不同浓度的太阳电池用的墨水分别旋涂在硅片表面形成薄膜。本实施例的硅片为n型高阻双抛硅片，太阳电池结构见图2所示。
通过Sinton设备对硅片的少子寿命进行检测，所得的少子寿命曲线如图1所示。
由图1可知，采用实施例1提供的不同浓度的太阳电池用的墨水对硅片进行钝化后，硅片少子寿命(室温下)为4.5ms～10ms，具有非常优良的钝化效果；并且制备薄膜的工艺简单，室温下进行即可。
进一步对实施例1中碳纳米管为4mg的墨所制备的太阳电池在AM 1.5光照下进行I-V曲线测试，得到开压654.5mV，短路电流39.9mA/cm2，填充因子为82％，转换效率为21.4％。所得结果见图3所示。
由图3可知，将实施例1中碳纳米管为4mg的墨水涂一层复合薄膜后，太阳电池性能极好，有非常高的转换效率。
实施例2
将1.5g Nafion溶液、1.5g Ps-b-PERB溶液、4mg黑磷添加到容积瓶中，室温下采用高速组织匀浆机以30000rpm的转速搅拌2h，得到太阳电池用的墨水。
采用喷涂法将实施例2提供的太阳电池用的墨水涂在硅片表面形成薄膜，并采用磁控溅射法在薄膜表面溅射ITO作为电极。本实施例中硅片为n型双抛100晶向，电阻率1-5欧姆(TOPSil公司)。
对硅片少子寿命进行检测，测试时加正向直流电压1.5V，所得的少子寿命曲线如图4所示。
由图4可知，采用实施例2提供的太阳电池用的墨水对硅片进行钝化后，加正向偏压后，少子寿命明显增加，证明钝化效果增强(一般硅太阳电池在加偏压测量时，会出现电势性能的衰减)。
实施例3
将3g十二烷基苯磺酸(DBSA)溶液、2mg的碳纳米管、2mg石墨烯添加到容积瓶中，室温下采用高速组织匀浆机以30000rpm的转速搅拌2h，得到太阳电池用的墨水。
采用狭缝涂布法将实施例3提供的太阳电池用的墨在硅片表面形成薄膜。本实施例的硅片为n型高阻双抛硅片。
对硅片的少子寿命进行检测，测试的少子寿命曲线如图5所示。
由图5可知，采用实施例3提供的太阳电池用的墨水对硅片进行钝化后，氧气氛围下测试，少子寿命明显增加，证明实验测试环境氛围影响墨的钝化效果，氧气氛围下测试，钝化效果增强。
本发明的物理机理：
太阳电池用的墨水室温或者低温下通过旋涂、狭缝涂布等方式仅刷一层在硅表面，即可形成聚合物复合薄膜；聚合物薄膜中的磺酸基团与硅界面悬挂键连接，降低硅表面复合中心的复合，钝化界面缺陷态，同时还具有载流子选择传输特性，物理机理(以Ps-b-PERB为有机钝化材料、WSe2纳米管为低维导电材料为例)参见图6所示。
综上所述，本发明提供的太阳电池用的墨水，制备方法简单，可直接涂于硅片表面，消除高温工艺和高真空重装备的使用，实现了一种低成本、高效率的新型太阳电池技术。
Claims (10)
1.一种太阳电池用的墨，其特征在于，由以下组分的原料制备而成：
有机钝化材料50~1000重量份；
低维导电材料0.4~1.6重量份；
分散溶剂0~950重量份；
所述有机钝化材料选自聚苯乙烯磺酸、全氟磺酸、二壬基萘二磺酸、Ps-b-PERB、3-吡啶磺酸和十二烷基苯磺酸中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的太阳电池用的墨，其特征在于，所述低维导电材料选自石墨烯、MoS2、黑磷、WSe2纳米管、碳纳米管、六方氮化硼和MXene中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的太阳电池用的墨，其特征在于，所述分散溶剂选自水、乙醇、异丙醇、1-丙醇、异丁醇和二氯乙烷中的一种或多种。
4.一种权利要求1~3任一项所述的太阳电池用的墨的制备方法，将有机钝化材料、低维导电材料和分散溶剂进行高速分散，得到太阳电池用的墨。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，高速分散的装置为高速组织匀浆机。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述高速分散的转速为8000~35000rpm，时间为1h~3h。
7.一种太阳电池用导电钝化薄膜，其特征在于，采用权利要求1~3任一项所述的太阳电池用的墨在基体上涂布而成。
8.根据权利要求7所述的太阳电池用导电钝化薄膜，其特征在于，所述涂布的方式为狭缝涂布、3D打印、喷涂或旋涂。
9.根据权利要求7所述的太阳电池用导电钝化薄膜，其特征在于，所述太阳电池用导电钝化薄膜的厚度为50~2000nm，钝化基体少子寿命为0.2ms~30ms。
10.根据权利要求7所述的太阳电池用导电钝化薄膜，其特征在于，所述太阳电池用导电钝化薄膜在光照、氧气氛围或外置偏压的条件下，少子寿命增加。
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