CN107768467B - 一种硅基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太阳能电池及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。该硅基太阳能电池的制备方法包括：n型硅片的清洗；n型硅片的表面钝化处理；第一PEDOT:PSS层的制备；第二PEDOT:PSS层的制备；第三PEDOT:PSS层的制备；第四PEDOT:PSS层的制备；第五PEDOT:PSS层的制备；正面电极的制备；背面电极的制备。所述硅基太阳能电池的光电转换效率高达12.4％。
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太阳能电池及其制备方法。
背景技术
硅基太阳能电池主要包括单晶硅太阳电池、非晶硅薄膜太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池以及有机无机杂化太阳能电池。其中有机无机杂化太阳能电池中的典型代表为Si/PEDOT:PSS杂化太阳能电池，在常规的Si/PEDOT:PSS杂化太阳能电池的制备过程中，通常为在硅基底上简单旋涂PEDOT:PSS溶液并进行退火以形成PEDOT:PSS层，而现有方法制备的PEDOT:PSS层致密性较差，进而导致Si/PEDOT:PSS杂化太阳能电池的光电转换效率较差。如何设计一种新型的Si/PEDOT:PSS杂化太阳能电池的制备工艺，以提高其光电转换效率，是业界亟待解决的问题
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太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；2)对n型硅片进行表面钝化处理；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15-18mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为1500-1900转/分钟，然后进行退火处理，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12-14mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2000-2400转/分钟，然后进行退火处理，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9-11mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3000-3400转/分钟，然后进行退火处理，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6-8mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3500-3900转/分钟，然后进行退火处理，形成第四PEDOT:PSS层；7)第五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3-5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为4000-4500转/分钟，然后进行退火处理，形成第五PEDOT:PSS层；8)制备正面电极；9)制备背面电极。
作为优选，在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。
作为优选，在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。
作为优选，所述步骤3中的旋涂时间为1-2分钟，所述步骤4中的旋涂时间为2-3分钟，所述步骤5中的旋涂时间为3-4分钟，所述步骤6中的旋涂时间为4-5分钟，所述步骤7中的旋涂时间为5-6分钟。
作为优选，在所述步骤3-6中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110-120℃，退火时间为3-5分钟。
作为优选，在所述步骤7中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110-120℃，退火时间为10-15分钟。
作为优选，在所述步骤8中，制备正面电极的工序包括：利用蒸镀法或磁控溅射法，在所述第五PEDOT:PSS层正面形成厚度为80-150纳米的金属栅电极，所述金属栅电极的材质优选为银、铜、铝、钛、钯中的一种或多种。
作为优选，在所述步骤9中，制备背面电极的工序包括：利用蒸镀法或磁控溅射法，在所述n型硅片背面形成厚度为100-200纳米的金属背电极，所述金属背电极的材质优选为银、铜、铝、钛、钯中的一种或多种。
本发明还提供了一种硅基太阳能电池，所述硅基太阳能电池为采用上述方法制备形成的硅基太阳能电池。
本发明与现有技术相比具有下列优点：
单层PEDOT:PSS在退火过程中容易产生裂纹进而导致相应的太阳能电池光电转换效率不高，本发明的硅基太阳能电池的制备方法中，通过选择五次旋涂PEDOT:PSS溶液，且在每次旋涂后都进行退火处理，后一次的旋涂处理可以有效覆盖前一次PEDOT:PSS层退火处理形成的裂纹，同时通过选择旋涂的PEDOT:PSS溶液的浓度依次降低，旋涂的时间和转速依次增加，使得形成的PEDOT:PSS层依次减薄，并使得后一次的旋涂处理中PEDOT:PSS更容易进入前一次PEDOT:PSS层的裂纹中，进而形成致密的PEDOT:PSS层，降低了PEDOT:PSS层的缺陷态密度，提高了异质结界面的稳定性，提高了空穴的传输效率，进而提高相应硅基太阳能电池的开路电压、短路电流以及填充因子，进而有效地提高了硅基太阳能电池的光电转换效率，通过优化各步骤的具体工艺参数，使得该硅基太阳能电池的光电转换效率高达12.4％。
附图说明
图1为本发明的硅基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太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；2)对n型硅片进行表面钝化处理；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15-18mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为1500-1900转/分钟，然后进行退火处理，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12-14mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2000-2400转/分钟，然后进行退火处理，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9-11mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3000-3400转/分钟，然后进行退火处理，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6-8mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3500-3900转/分钟，然后进行退火处理，形成第四PEDOT:PSS层；7)第五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3-5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为4000-4500转/分钟，然后进行退火处理，形成第五PEDOT:PSS层；8)制备正面电极；9)制备背面电极。
其中，在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。所述步骤3中的旋涂时间为1-2分钟，所述步骤4中的旋涂时间为2-3分钟，所述步骤5中的旋涂时间为3-4分钟，所述步骤6中的旋涂时间为4-5分钟，所述步骤7中的旋涂时间为5-6分钟。在所述步骤3-6中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110-120℃，退火时间为3-5分钟。在所述步骤7中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110-120℃，退火时间为10-15分钟。在所述步骤8中，制备正面电极的工序包括：利用蒸镀法或磁控溅射法，在所述第五PEDOT:PSS层正面形成厚度为80-150纳米的金属栅电极，所述金属栅电极的材质优选为银、铜、铝、钛、钯中的一种或多种。在所述步骤9中，制备背面电极的工序包括：利用蒸镀法或磁控溅射法，在所述n型硅片背面形成厚度为100-200纳米的金属背电极，所述金属背电极的材质优选为银、铜、铝、钛、钯中的一种或多种。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的硅基太阳能电池，所述硅基太阳能电池从下至上背面电极9、n型硅片1、钝化层2、第一PEDOT:PSS层3、第二PEDOT:PSS层4、第三PEDOT:PSS层5、第四PEDOT:PSS层6、第五PEDOT:PSS层7以及正面电极8。
实施例1：
一种硅基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；2)对n型硅片进行表面钝化处理；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16mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为1700转/分钟，然后进行退火处理，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13mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2100转/分钟，然后进行退火处理，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10mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3100转/分钟，然后进行退火处理，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7mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3600转/分钟，然后进行退火处理，形成第四PEDOT:PSS层；7)第五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4mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为4100转/分钟，然后进行退火处理，形成第五PEDOT:PSS层；8)制备正面电极；9)制备背面电极。
其中，在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。所述步骤3中的旋涂时间为1.5分钟，所述步骤4中的旋涂时间为2.5分钟，所述步骤5中的旋涂时间为3.5分钟，所述步骤6中的旋涂时间为4.5分钟，所述步骤7中的旋涂时间为5.5分钟。在所述步骤3-6中的退火处理的气氛为氮气，退火温度为115℃，退火时间为4分钟。在所述步骤7中的退火处理的气氛为氮气，退火温度为115℃，退火时间为12分钟。在所述步骤8中，制备正面电极的工序包括：利用磁控溅射法，在所述第五PEDOT:PSS层正面形成厚度为100纳米的金属栅电极，所述金属栅电极的材质为银。在所述步骤9中，制备背面电极的工序包括：利用磁控溅射法，在所述n型硅片背面形成厚度为150纳米的金属背电极，所述金属背电极的材质为铝。
将上述方法制备的硅基太阳能电池，该方法制备的多层PEDOT:PSS结构致密，该硅基太阳能电池的开路电压为0.59V，短路电流为29.2mA/cm2，填充因子为0.72，光电转换效率为12.4％。
实施例2
一种硅基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；2)对n型硅片进行表面钝化处理；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18mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为1900转/分钟，然后进行退火处理，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14mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2400转/分钟，然后进行退火处理，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11mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3400转/分钟，然后进行退火处理，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8mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3900转/分钟，然后进行退火处理，形成第四PEDOT:PSS层；7)第五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5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为4500转/分钟，然后进行退火处理，形成第五PEDOT:PSS层；8)制备正面电极；9)制备背面电极。
其中，在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。所述步骤3中的旋涂时间为2分钟，所述步骤4中的旋涂时间为3分钟，所述步骤5中的旋涂时间为4分钟，所述步骤6中的旋涂时间为5分钟，所述步骤7中的旋涂时间为6分钟。在所述步骤3-6中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为120℃，退火时间为5分钟。在所述步骤7中的退火处理的气氛为氩气，退火温度为120℃，退火时间为15分钟。在所述步骤8中，制备正面电极的工序包括：利用蒸镀法，在所述第五PEDOT:PSS层正面形成厚度为150纳米的金属栅电极，所述金属栅电极的材质为铜。在所述步骤9中，制备背面电极的工序包括：利用蒸镀法，在所述n型硅片背面形成厚度为200纳米的金属背电极，所述金属背电极的材质为铝。
将上述方法制备的硅基太阳能电池，该方法制备的多层PEDOT:PSS结构致密，该硅基太阳能电池的开路电压为0.57V，短路电流为28.8mA/cm2，填充因子为0.69，光电转换效率为11.3％。
实施例3
一种硅基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；2)对n型硅片进行表面钝化处理；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15mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为1500转/分钟，然后进行退火处理，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12mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2000转/分钟，然后进行退火处理，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9mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3000转/分钟，然后进行退火处理，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6mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3500转/分钟，然后进行退火处理，形成第四PEDOT:PSS层；7)第五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3mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为4000转/分钟，然后进行退火处理，形成第五PEDOT:PSS层；8)制备正面电极；9)制备背面电极。
其中，在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。所述步骤3中的旋涂时间为1分钟，所述步骤4中的旋涂时间为2分钟，所述步骤5中的旋涂时间为3分钟，所述步骤6中的旋涂时间为4分钟，所述步骤7中的旋涂时间为5分钟。在所述步骤3-6中的退火处理的气氛为氮气，退火温度为110℃，退火时间为3分钟。在所述步骤7中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110℃，退火时间为10分钟。在所述步骤8中，制备正面电极的工序包括：利用蒸镀法，在所述第五PEDOT:PSS层正面形成厚度为80纳米的金属栅电极，所述金属栅电极的材质为银。在所述步骤9中，制备背面电极的工序包括：利用蒸镀法，在所述n型硅片背面形成厚度为100纳米的金属背电极，所述金属背电极的材质为铝。
将上述方法制备的硅基太阳能电池，该方法制备的多层PEDOT:PSS结构致密，该硅基太阳能电池的开路电压为0.58V，短路电流为29.1mA/cm2，填充因子为0.71，光电转换效率为12％。
对比例：
为了突出本发明硅基太阳能电池具有优异的光电转换效率，作为对比，一种硅/PEDOT:PSS太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：1)对n型硅片进行清洗；2)对n型硅片进行表面钝化处理；3)PEDOT:PSS层的制备：在步骤2得到的n型硅片的正面旋涂导电率为1000的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2000转/分钟，旋涂时间为2分钟，然后在氮气氛围内进行退火处理，退火温度为115℃，退火时间为20分钟，形成PEDOT:PSS层；4)制备正面电极；5)制备背面电极。其中，在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。在所述步骤4中，制备正面电极的工序包括：利用磁控溅射法，在所述PEDOT:PSS层正面形成厚度为100纳米的金属栅电极，所述金属栅电极的材质为银。在所述步骤5中，制备背面电极的工序包括：利用磁控溅射法，在所述n型硅片背面形成厚度为150纳米的金属背电极，所述金属背电极的材质为铝。
该硅/PEDOT:PSS太阳能电池的开路电压为0.55V，短路电流为27mA/cm2，填充因子为0.62，光电转换效率为9.2％。
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 (8)
1.一种硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对n型硅片进行清洗；
2)对n型硅片进行表面钝化处理；
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15-18mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为1500-1900转/分钟，然后进行退火处理，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12-14mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为2000-2400转/分钟，然后进行退火处理，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9-11mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3000-3400转/分钟，然后进行退火处理，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6-8mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为3500-3900转/分钟，然后进行退火处理，形成第四PEDOT:PSS层；
7)第五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3-5mg/ml的PEDOT:PSS溶液，其中，转速为4000-4500转/分钟，然后进行退火处理，形成第五PEDOT:PSS层；
8)制备正面电极；
9)制备背面电极；
其中，所述步骤3中的旋涂时间为1-2分钟，所述步骤4中的旋涂时间为2-3分钟，所述步骤5中的旋涂时间为3-4分钟，所述步骤6中的旋涂时间为4-5分钟，所述步骤7中的旋涂时间为5-6分钟。
2.根据权利要求1所述的硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤1中，对n型硅片进行清洗的工序包括：将n型硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声清洗，然后利用HF溶液去除所述n型硅片表面的氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤2中，对n型硅片进行表面钝化处理的工序包括：将步骤1得到的n型硅片浸入硫化钠的乙二醇溶液中，进行电镀硫化处理，以得到硫化钝化层。
4.根据权利要求1所述的硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤3-6中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110-120℃，退火时间为3-5分钟。
5.根据权利要求4所述的硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤7中的退火处理的气氛为氮气或氩气，退火温度为110-120℃，退火时间为10-15分钟。
6.根据权利要求1所述的硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤8中，制备正面电极的工序包括：利用蒸镀法或磁控溅射法，在所述第五PEDOT:PSS层正面形成厚度为80-150纳米的金属栅电极。
7.根据权利要求1所述的硅基太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤9中，制备背面电极的工序包括：利用蒸镀法或磁控溅射法，在所述n型硅片背面形成厚度为100-200纳米的金属背电极。
8.一种硅基太阳能电池，其特征在于，所述硅基太阳能电池为采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的硅基太阳能电池。
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