CN103681888B - 表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池，掺杂ZnO纳米线与硅薄膜太阳电池复合组装成陷光结构的太阳电池，包括由下而上依次逐层连接的玻璃衬底、背电极、第一掺杂ZnO纳米线层、吸收层、窗口层和第二掺杂ZnO纳米线层。本发明通过在太阳电池的窗口层和背电极与吸收层的界面都组装铝或硼掺杂ZnO纳米线，形成陷光复合结构的薄膜太阳电池。掺杂后的ZnO纳米线具有良好的光电特性，使光场能够沿掺杂ZnO纳米线散射和传播，使更多的光线进入太阳电池得到有效吸收捕获，提高电池内部载流子收集效率，进而提高硅基薄膜太阳电池的光电转换效率。

Description

表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池
技术领域
本发明涉及一种太阳电池，具体涉及一种表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池。
背景技术
近年来，我国的光伏产业的发展速度惊人，产量已经稳居全球第一。但是，国内相关的科学研究还很缺乏，技术积累薄弱，阻碍了光伏产业的进一步发展。目前太阳电池的研究主要集中在如何提高电池的光电转换效率和降低生产成本等方面。
降低太阳电池的生产成本首先要降低组件成本，而要降低组件成本首先要降低材料成本，特别是晶体硅材料成本。即一是提高光电转换效率，二是薄膜化（或薄层化、薄片化）。太阳电池厚度减小时，由于透射光引起的损失随着厚度的减小而增大，对于间接禁带材料硅来说，这种损失比直接禁带材料的大。
半导体纳米材料，特别是宽带隙金属氧化物纳米线，由于其良好的透光性和光电性能，在太阳电池领域具有重要的应用前景。正如前面所述：光学损失是限制太阳电池光电转换效率提高的主要障碍之一，而构筑透明导电薄膜纳米陷光结构是一种非常有效的重要技术手段。人们为了克服在太阳电池器件中硅材料不能将光线入射光完全吸收的弱点，设计了各种新型高效的表面陷光结构来聚焦太阳光、增加光子密度，从而减小p-n结接触电压损失，提高太阳电池器件的效率。
经对现有相关文献检索发现，有研究者研究了包括ZnO在内的金属氧化物纳米线的光电特性，（N.Mathews,B.Varghese,C.Sun,V.Thavasi,B.P.Andreasson,C.H.Sow,S.Ramakrishna,S.G.Mhaisalkar,Oxide nanowirenetworks and their electronic and optoelectronic characteristics[J],Nanoscale2010,2,1984-1998.），发现ZnO等金属氧化物纳米线在光电领域有优良的前景，能够降低光在太阳电池表面的反射率，提高太阳电池光电转换效率。
ZnO纳米线是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族直接带隙宽禁带氧化物半导体材料，其原材料储量丰富，价格低廉。但目前针对这种材料在太阳电池方面的应用还很少，因为单纯的ZnO纳米线导电性并不理想。对于本征的ZnO纳米线，其电阻率一般为10-1Ω·cm，掺杂ZnO纳米线电阻率可以下降到10-3Ω·cm甚至更低。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种掺杂ZnO纳米线的太阳电池。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种表面分布有掺杂ZnO纳米线陷光结构的硅基薄膜太阳电池，将掺杂ZnO纳米线组装到硅基薄膜太阳电池的窗口层表面，以及背电极与吸收层之间，利用ZnO纳米线光波导组装结构能够将窗口金属电极遮挡掉的入射阳光传输利用，而入射光与纳米线结构表面的自由电荷相互作用而形成陷光结构，光场能够沿纳米线散射和传播，合理的陷光组装结构能够使更多的光线进入太阳电池得到有效吸收捕获，提高太阳电池的光电转换效率。
本发明通过以下技术方案实现：
一种表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池，包括由下而上依次逐层连接的玻璃衬底、背电极、第一掺杂ZnO纳米线层、吸收层、窗口层和第二掺杂ZnO纳米线层；第一掺杂ZnO纳米线层由分布在所述背电极与所述吸收层之间的掺杂ZnO纳米线形成，第二掺杂ZnO纳米线层由分布在所述窗口层表面的掺杂ZnO纳米线形成；第一掺杂ZnO纳米线层的掺杂ZnO纳米线和第二掺杂ZnO纳米线层的掺杂ZnO纳米线相同。
进一步地，玻璃衬底为钢化玻璃衬底。
进一步地，掺杂ZnO纳米线的直径在10-100纳米之间。
进一步地，掺杂ZnO纳米线的单根长度大于1000纳米。
进一步地，掺杂ZnO纳米线为铝（Al）或硼（B）掺杂ZnO纳米线。
更进一步地，掺杂ZnO纳米线为通过碳热还原法、溶剂热法、水热法或化学气相沉积法制备的铝或硼掺杂ZnO纳米线。
进一步地，掺杂ZnO纳米线在背电极与吸收层之间的分布密度为1-10万根/平方毫米；掺杂ZnO纳米线在窗口层表面的分布密度为1-10万根/平方毫米。
进一步地，背电极为铝制电极。
进一步地，吸收层为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。
进一步地，窗口层通过离子扩散工艺制得。
本发明通过以下方式制备获得：
在制作好硅薄膜太阳电池的玻璃衬底和窗口层后，将铝或硼掺杂的ZnO纳米线超声分散到有机溶剂中，然后组装到硅基薄膜太阳电池的窗口层表面，以及背电极与吸收层之间，制备得到微晶硅或非晶硅的硅基薄膜太阳电池。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：基于碳热还原法、溶剂热法、水热法或者化学气相沉积法大量可控制备掺杂铝或硼的ZnO纳米线，运用非真空大面积低成本纳米线组装复合薄膜制备技术，构筑典型硅薄膜太阳电池窗口层的高效纳米线陷光复合结构。一方面，掺杂ZnO纳米线光波导组装结构能将窗口层金属电极遮挡掉的入射阳光传输利用，提高阳光的利用率。另一方面，利用掺杂ZnO纳米线的透明导电性和调制光波波导作用，复合陷光结构产生协同效应的作用机理，能够进一步减小串联电阻，增强太阳电池的陷光性能，从而全面提高太阳电池光电转换效率和降低制造成本，这对取得新型太阳电池技术重要知识产权和应用基础研究重大成果具有重要现实意义。
以下将结合附图对本发明的构思、具体实例及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明。提供这些说明的目的仅在于帮助解释本发明，不应当用来限制本发明的权利要求的范围。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的硅基薄膜太阳电池的结构示意图；
图2为图1中的硅基薄膜太阳电池的表面扫描电镜照片。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，本实施例的表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池包括由下而上依次逐层连接的玻璃衬底1、背电极2、第一掺杂ZnO纳米线层3、吸收层4、窗口层5和第二掺杂ZnO纳米线层6。窗口层5表面以及背电极2与吸收层4之间均分布有掺杂ZnO纳米线涂层。其中掺杂的ZnO纳米线的直径在10-100纳米之间，单根长度大于1000纳米，具体为铝（Al）或硼（B）掺杂的ZnO纳米线，掺杂ZnO纳米线可通过碳热还原法、溶剂热法、水热法或化学气相沉积法制备。经多项反复实施，以上方法制备的掺杂ZnO纳米线，性能和效果符合本项发明的要求。
掺杂ZnO纳米线在窗口层5表面以及背电极2与吸收层4之间的分布密度在1-10万根/平方毫米的范围内，经多项（1万根/平方毫米、5万根/平方毫米、10万根/平方毫米等等实例）实施性能和效果符合本项发明的要求。
背电极2为铝制电极，采用丝网印刷方法形成；窗口层5通过高温离子（如磷）扩散工艺而形成；吸收层4为微晶硅薄膜，采用等离子化学气相沉积法制得。
在制作好硅薄膜太阳电池的玻璃衬底1和窗口层5后，将铝或硼掺杂的ZnO纳米线超声分散到有机溶剂中，然后组装到硅基薄膜太阳电池的窗口层5表面，以及背电极2与吸收层4之间，制备得到微晶硅薄膜太阳电池。图2是这种薄膜太阳电池表面分布的掺杂ZnO纳米线的扫描电镜照片。从图2中可知，每根掺杂ZnO纳米线的粗细均匀，长度一致，以此保证薄膜太阳电池的性能的稳定和可靠。
本发明在硅基薄膜太阳电池中组装铝或硼掺杂ZnO纳米线，减小串联电阻，可以解决电阻增高问题。此外，这些纳米线既有良好的透明导电性，又有传导和调制光波的波导作用，可以被用来传输电流以及传播和有效利用电池表面的入射光。因此，将铝或硼掺杂ZnO纳米线复合组装到硅基薄膜太阳电池中具有重要意义。
实施例2
将实施例1中的微晶硅薄膜太阳电池改为非晶硅薄膜太阳电池，得到掺杂ZnO纳米线透明导电陷光结构的非晶硅薄膜太阳电池。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种表面分布有掺杂ZnO纳米线的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述硅基薄膜太阳电池包括由下而上依次逐层连接的玻璃衬底、背电极、第一掺杂ZnO纳米线层、吸收层、窗口层和第二掺杂ZnO纳米线层；所述第一掺杂ZnO纳米线层由分布在所述背电极与所述吸收层之间的掺杂ZnO纳米线形成，所述第二掺杂ZnO纳米线层由分布在所述窗口层表面的掺杂ZnO纳米线形成；所述第一掺杂ZnO纳米线层的掺杂ZnO纳米线和所述第二掺杂ZnO纳米线层的掺杂ZnO纳米线相同；
所述掺杂ZnO纳米线为通过碳热还原法、溶剂热法、水热法或化学气相沉积法制备的铝或硼掺杂ZnO纳米线；
所述掺杂ZnO纳米线在所述背电极与所述吸收层之间的分布密度为1万-10万根/平方毫米；所述掺杂ZnO纳米线在所述窗口层表面的分布密度为1万-10万根/平方毫米。
2.根据权利要求1中所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述的玻璃衬底为钢化玻璃衬底。
3.根据权利要求1中所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线的直径在10-100纳米之间。
4.根据权利要求1中所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述掺杂ZnO纳米线的单根长度大于1000纳米。
5.根据权利要求1中所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述背电极为铝制电极。
6.根据权利要求1中所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述吸收层为微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。
7.根据权利要求1中所述的硅基薄膜太阳电池，其特征在于，所述窗口层通过离子扩散工艺制得。
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