CN108550704B - 一种Si-P3HT杂化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Si‑P3HT杂化太阳能电池及其制备方法，包括以下步骤：对n型硅片进行制绒处理；在所述n型硅片的下表面沉积钝化层并形成多个n型重掺杂区；在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区；接着在所述n型硅片的上表面依次形成第一P3HT层、第二P3HT层、第一PEDOT:PSS层以及第二PEDOT:PSS层；接着在所述n型硅片的上表面制备正面铜栅电极；最后在所述n型硅片的下表面制备背面银电极。
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Si-P3HT杂化太阳能电池及其制备方法。
背景技术
现有的晶体硅光伏电池的光电转换效率很高，是目前大规模使用的光伏电池，但是现有的晶体硅光伏电池的制备工艺复杂，进而导致该类光伏电池造价昂贵。随着光伏电池行业的发展，有机太阳能电池由于其原材料价格低廉、制备温度低、制备工艺简单等优势而得到迅速的发展，但是有机太阳能电池的光电转换效率远低于晶体硅光伏电池的光电转换效率。硅基有机无机杂化太阳能电池可以结合有机材料和无机硅材料的优势而越来越受到人们的青睐，在硅基有机无机杂化太阳能电池中，有机材料和无机硅材料的界面特性以及有机材料的种类都将影响该类电池的光电转换效率。如何改善该类电池的界面特性是业界丞待解决的问题。
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Si-P3HT杂化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Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)对n型硅片进行制绒处理，在所述n型硅片的上表面形成绒面层；
2)在所述n型硅片的下表面沉积钝化层，利用刻蚀工艺在所述钝化层中形成多个呈矩阵排布的通孔，接着通过选择性扩散磷以在所述n型硅片的下表面的部分区域上形成多个n型重掺杂区，每个所述n型重掺杂区与每个所述通孔对应设置；
3)利用掩膜在所述n型硅片的上表面选择性扩散硼，以在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区，多个所述p型扩散区呈矩阵排布；
4)在步骤3得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第一氯苯溶液，其中，第一氯苯溶液中P3HT的浓度为1-2mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.03-0.08mg/ml，旋涂的转速为4500-5000转/分钟，然后进行第一退火处理，形成第一P3HT层；
5)在步骤4得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第二氯苯溶液，其中，第二氯苯溶液中P3HT的浓度为2-3mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.1-0.2mg/ml，旋涂的转速为3500-4000转/分钟，然后进行第二退火处理，形成第二P3HT层；
6)在步骤5得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.1-0.2mg/ml，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，然后进行第三退火处理，形成第一PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.3-0.5mg/ml，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，然后进行第四退火处理，形成第二PEDOT:PSS层；
8)在所述步骤7得到的所述n型硅片的上表面制备正面铜栅电极；
9)在所述步骤8得到的所述n型硅片的下表面制备背面银电极。
作为优选，在所述步骤(2)中，所述钝化层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或多种，所述钝化层的厚度为100-300纳米，所述通孔的直径为3-5毫米，相邻所述通孔的间距为2-4毫米。
作为优选，在所述步骤(3)中，每个所述p型扩散区的形状为圆形或正方形，当所述p型扩散区的形状为圆形时，所述p型扩散区的直径为3-4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2-3毫米；当所述p型扩散区的形状为正方形时，所述p型扩散区的边长为3-4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2-3毫米。
作为优选，在所述步骤(4)中，所述第一退火处理的温度为140-160℃，所述第一退火处理的退火时间为20-30分钟，所述第一P3HT层的厚度为3-6纳米。
作为优选，在所述步骤(5)中，所述第二退火处理的温度为140-150℃，所述第二退火处理的退火时间为25-35分钟，所述第二P3HT层的厚度为9-15纳米。
作为优选，在所述步骤(6)中，所述第三退火处理的温度为120-130℃，所述第三退火处理的退火时间为15-25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为30-40纳米。
作为优选，在所述步骤(7)中，所述第四退火处理的温度为110-120℃，所述第四退火处理的退火时间为20-40分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为40-50纳米。
作为优选，在所述步骤(8)中，通过热蒸镀金属铜形成所述正面铜栅电极，所述正面铜栅电极的厚度为100-200纳米；在所述步骤(9)中，通过热蒸镀金属银形成所述背面银电极，所述背面银电极的厚度为200-300纳米。
本发明还提出一种Si-P3HT杂化太阳能电池，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：
本发明的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备过程中，首先在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区，然后再旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第一氯苯溶液形成P3HT层，使得本发明的Si-P3HT杂化太阳能电池中，一部分n型硅片与p型扩散区形成PN结，剩余部分的n型硅片与P3HT层形成肖特基结，且通过优化p型扩散区尺寸以及相邻p型扩散区的间距，使得各p型扩散区均匀分散在n型硅片上，有效结合PN结和肖特基结的优势，有效提高了该新型异质结光伏电池的开路电压，进而提高其光电转换效率。
本发明的Si-P3HT杂化太阳能电池中，包括叠置的第一P3HT层、第二P3HT层、第一PEDOT:PSS层以及第二PEDOT:PSS层，通过优化各层的厚度、第一、第二P3HT层种二硒化钼二维纳米材料的含量、第一、第二PEDOT:PSS层中银纳米线的含量，可以确保电子空穴对的顺利分离与传输，进而提高该新型异质结光伏电池的填充因子和短路电流。
附图说明
图1为本发明的Si-P3HT杂化太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明提出的一种Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)对n型硅片进行制绒处理，在所述n型硅片的上表面形成绒面层；
2)在所述n型硅片的下表面沉积钝化层，利用刻蚀工艺在所述钝化层中形成多个呈矩阵排布的通孔，接着通过选择性扩散磷以在所述n型硅片的下表面的部分区域上形成多个n型重掺杂区，每个所述n型重掺杂区与每个所述通孔对应设置；
3)利用掩膜在所述n型硅片的上表面选择性扩散硼，以在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区，多个所述p型扩散区呈矩阵排布；
4)在步骤3得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第一氯苯溶液，其中，第一氯苯溶液中P3HT的浓度为1-2mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.03-0.08mg/ml，旋涂的转速为4500-5000转/分钟，然后进行第一退火处理，形成第一P3HT层；
5)在步骤4得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第二氯苯溶液，其中，第二氯苯溶液中P3HT的浓度为2-3mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.1-0.2mg/ml，旋涂的转速为3500-4000转/分钟，然后进行第二退火处理，形成第二P3HT层；
6)在步骤5得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.1-0.2mg/ml，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，然后进行第三退火处理，形成第一PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.3-0.5mg/ml，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，然后进行第四退火处理，形成第二PEDOT:PSS层；
8)在所述步骤7得到的所述n型硅片的上表面制备正面铜栅电极；
9)在所述步骤8得到的所述n型硅片的下表面制备背面银电极。
其中，在所述步骤(2)中，所述钝化层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或多种，所述钝化层的厚度为100-300纳米，所述通孔的直径为3-5毫米，相邻所述通孔的间距为2-4毫米。在所述步骤(3)中，每个所述p型扩散区的形状为圆形或正方形，当所述p型扩散区的形状为圆形时，所述p型扩散区的直径为3-4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2-3毫米；当所述p型扩散区的形状为正方形时，所述p型扩散区的边长为3-4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2-3毫米。在所述步骤(4)中，所述第一退火处理的温度为140-160℃，所述第一退火处理的退火时间为20-30分钟，所述第一P3HT层的厚度为3-6纳米。
其中，在所述步骤(5)中，所述第二退火处理的温度为140-150℃，所述第二退火处理的退火时间为25-35分钟，所述第二P3HT层的厚度为9-15纳米。在所述步骤(6)中，所述第三退火处理的温度为120-130℃，所述第三退火处理的退火时间为15-25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为30-40纳米。在所述步骤(7)中，所述第四退火处理的温度为110-120℃，所述第四退火处理的退火时间为20-40分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为40-50纳米。在所述步骤(8)中，通过热蒸镀金属铜形成所述正面铜栅电极，所述正面铜栅电极的厚度为100-200纳米；在所述步骤(9)中，通过热蒸镀金属银形成所述背面银电极，所述背面银电极的厚度为200-300纳米。
如图1所示，本发明根据上述方法制备的Si-P3HT杂化太阳能电池，所述Si-P3HT杂化太阳能电池从下至上包括背面银电极1、钝化层2、n型重掺杂区3、n型硅片4、p型扩散区5、第一P3HT层6、第一P3HT层7、第一PEDOT:PSS层8、第二PEDOT:PSS层9以及正面铜栅电极10，其中，所述背面银电极1通过钝化层2中的通孔与所述n型重掺杂区3接触。
实施例1：
本发明提出的一种Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)对n型硅片进行制绒处理，在所述n型硅片的上表面形成绒面层；
2)在所述n型硅片的下表面沉积钝化层，利用刻蚀工艺在所述钝化层中形成多个呈矩阵排布的通孔，接着通过选择性扩散磷以在所述n型硅片的下表面的部分区域上形成多个n型重掺杂区，每个所述n型重掺杂区与每个所述通孔对应设置；
3)利用掩膜在所述n型硅片的上表面选择性扩散硼，以在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区，多个所述p型扩散区呈矩阵排布；
4)在步骤3得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第一氯苯溶液，其中，第一氯苯溶液中P3HT的浓度为1.5mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.05mg/ml，旋涂的转速为4800转/分钟，然后进行第一退火处理，形成第一P3HT层；
5)在步骤4得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第二氯苯溶液，其中，第二氯苯溶液中P3HT的浓度为2.5mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.15mg/ml，旋涂的转速为3800转/分钟，然后进行第二退火处理，形成第二P3HT层；
6)在步骤5得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.15mg/ml，旋涂的转速为3500转/分钟，然后进行第三退火处理，形成第一PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.4mg/ml，旋涂的转速为2500转/分钟，然后进行第四退火处理，形成第二PEDOT:PSS层；
8)在所述步骤7得到的所述n型硅片的上表面制备正面铜栅电极；
9)在所述步骤8得到的所述n型硅片的下表面制备背面银电极。
其中，在所述步骤(2)中，所述钝化层的材质为氧化硅，所述钝化层的厚度为200纳米，所述通孔的直径为4毫米，相邻所述通孔的间距为3毫米。在所述步骤(3)中，每个所述p型扩散区的形状为圆形，所述p型扩散区的直径为4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为3毫米。在所述步骤(4)中，所述第一退火处理的温度为150℃，所述第一退火处理的退火时间为25分钟，所述第一P3HT层的厚度为4.5纳米。在所述步骤(5)中，所述第二退火处理的温度为145℃，所述第二退火处理的退火时间为30分钟，所述第二P3HT层的厚度为12纳米。在所述步骤(6)中，所述第三退火处理的温度为125℃，所述第三退火处理的退火时间为20分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为35纳米。在所述步骤(7)中，所述第四退火处理的温度为115℃，所述第四退火处理的退火时间为30分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为45纳米。在所述步骤(8)中，通过热蒸镀金属铜形成所述正面铜栅电极，所述正面铜栅电极的厚度为150纳米；在所述步骤(9)中，通过热蒸镀金属银形成所述背面银电极，所述背面银电极的厚度为260纳米。
上述方法制备的Si-P3HT杂化太阳能电池的开路电压为0.7V，短路电流为34.8mA/cm2，填充因子为0.76，光电转换效率为18.5％。
实施例2
本发明提出的一种Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)对n型硅片进行制绒处理，在所述n型硅片的上表面形成绒面层；
2)在所述n型硅片的下表面沉积钝化层，利用刻蚀工艺在所述钝化层中形成多个呈矩阵排布的通孔，接着通过选择性扩散磷以在所述n型硅片的下表面的部分区域上形成多个n型重掺杂区，每个所述n型重掺杂区与每个所述通孔对应设置；
3)利用掩膜在所述n型硅片的上表面选择性扩散硼，以在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区，多个所述p型扩散区呈矩阵排布；
4)在步骤3得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第一氯苯溶液，其中，第一氯苯溶液中P3HT的浓度为1mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.07mg/ml，旋涂的转速为4500转/分钟，然后进行第一退火处理，形成第一P3HT层；
5)在步骤4得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第二氯苯溶液，其中，第二氯苯溶液中P3HT的浓度为2mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.18mg/ml，旋涂的转速为4000转/分钟，然后进行第二退火处理，形成第二P3HT层；
6)在步骤5得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.2mg/ml，旋涂的转速为4000转/分钟，然后进行第三退火处理，形成第一PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第二PEDOT:PSS溶液，所述第一PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.5mg/ml，旋涂的转速为2000转/分钟，然后进行第四退火处理，形成第二PEDOT:PSS层；
8)在所述步骤7得到的所述n型硅片的上表面制备正面铜栅电极；
9)在所述步骤8得到的所述n型硅片的下表面制备背面银电极。
其中，在所述步骤(2)中，所述钝化层的材质为氧化铝，所述钝化层的厚度为100纳米，所述通孔的直径为5毫米，相邻所述通孔的间距为4毫米。在所述步骤(3)中，每个所述p型扩散区的形状为正方形，所述p型扩散区的边长为3毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2毫米。在所述步骤(4)中，所述第一退火处理的温度为140℃，所述第一退火处理的退火时间为30分钟，所述第一P3HT层的厚度为6纳米。在所述步骤(5)中，所述第二退火处理的温度为140℃，所述第二退火处理的退火时间为25分钟，所述第二P3HT层的厚度为9纳米。在所述步骤(6)中，所述第三退火处理的温度为120℃，所述第三退火处理的退火时间为25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为30纳米。在所述步骤(7)中，所述第四退火处理的温度为110℃，所述第四退火处理的退火时间为20分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为50纳米。在所述步骤(8)中，通过热蒸镀金属铜形成所述正面铜栅电极，所述正面铜栅电极的厚度为200纳米；在所述步骤(9)中，通过热蒸镀金属银形成所述背面银电极，所述背面银电极的厚度为300纳米。
上述方法制备的Si-P3HT杂化太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为34.5mA/cm2，填充因子为0.75，光电转换效率为17.9％。
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 (9)
1.一种Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)对n型硅片进行制绒处理，在所述n型硅片的上表面形成绒面层；
2)在所述n型硅片的下表面沉积钝化层，利用刻蚀工艺在所述钝化层中形成多个呈矩阵排布的通孔，接着通过选择性扩散磷以在所述n型硅片的下表面的部分区域上形成多个n型重掺杂区，每个所述n型重掺杂区与每个所述通孔对应设置；
3)利用掩膜在所述n型硅片的上表面选择性扩散硼，以在所述n型硅片的上表面的部分区域上形成多个p型扩散区，多个所述p型扩散区呈矩阵排布；
4)在步骤3得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第一氯苯溶液，其中，第一氯苯溶液中P3HT的浓度为1-2mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.03-0.08mg/ml，旋涂的转速为4500-5000转/分钟，然后进行第一退火处理，形成第一P3HT层；
5)在步骤4得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有二硒化钼二维纳米材料和P3HT的第二氯苯溶液，其中，第二氯苯溶液中P3HT的浓度为2-3mg/ml，二硒化钼二维纳米材料的浓度为0.1-0.2mg/ml，旋涂的转速为3500-4000转/分钟，然后进行第二退火处理，形成第二P3HT层；
6)在步骤5得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第一PEDOT:PSS溶液，所述第一PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.1-0.2mg/ml，旋涂的转速为3000-4000转/分钟，然后进行第三退火处理，形成第一PEDOT:PSS层；
7)在步骤6得到的所述n型硅片的上表面旋涂含有银纳米线的第二PEDOT:PSS溶液，所述第二PEDOT:PSS溶液中银纳米线的浓度为0.3-0.5mg/ml，旋涂的转速为2000-3000转/分钟，然后进行第四退火处理，形成第二PEDOT:PSS层；
8)在所述步骤7得到的所述n型硅片的上表面制备正面铜栅电极；
9)在所述步骤8得到的所述n型硅片的下表面制备背面银电极。
2.根据权利要求1 所述的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(2)中，所述钝化层的材质为氧化硅、氮化硅、氧化铝中的一种或多种，所述钝化层的厚度为100-300纳米，所述通孔的直径为3-5毫米，相邻所述通孔的间距为2-4毫米。
3.根据权利要求1所述的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(3)中，每个所述p型扩散区的形状为圆形或正方形，当所述p型扩散区的形状为圆形时，所述p型扩散区的直径为3-4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2-3毫米；当所述p型扩散区的形状为正方形时，所述p型扩散区的边长为3-4毫米，相邻所述p型扩散区的间距为2-3毫米。
4.根据权利要求1所述的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(4)中，所述第一退火处理的温度为140-160℃，所述第一退火处理的退火时间为20-30分钟，所述第一P3HT层的厚度为3-6纳米。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述步骤(5)中，所述第二退火处理的温度为140-150℃，所述第二退火处理的退火时间为25-35分钟，所述第二P3HT层的厚度为9-15纳米。
6.根据权利要求1所述的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(6)中，所述第三退火处理的温度为120-130℃，所述第三退火处理的退火时间为15-25分钟，所述第一PEDOT:PSS层的厚度为30-40纳米。
7.根据权利要求1所述的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(7)中，所述第四退火处理的温度为110-120℃，所述第四退火处理的退火时间为20-40分钟，所述第二PEDOT:PSS层的厚度为40-50纳米。
8.根据权利要求1所述的Si-P3HT杂化太阳能电池的制备方法，其特征在于：在所述步骤(8)中，通过热蒸镀金属铜形成所述正面铜栅电极，所述正面铜栅电极的厚度为100-200纳米；在所述步骤(9)中，通过热蒸镀金属银形成所述背面银电极，所述背面银电极的厚度为200-300纳米。
9.一种Si-P3HT杂化太阳能电池，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的方法制备形成的。
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