一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)及制備方法
【專利摘要】一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)，包括濕法刻蝕制備金字塔形貌的硅襯底、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米柱或納米錐，納米柱或納米錐的長度范圍為200-1500nm，直徑為20-200nm；其制備方法是，利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長制得。本發(fā)明的優(yōu)點是：該陷光結(jié)構(gòu)用于Si襯底太陽電池上，在400-1100nm范圍內(nèi)，長有氧化鋅納米柱的新型陷光結(jié)構(gòu)的平均積分反射為5.1%，長有氧化鋅納米錐的新型陷光結(jié)構(gòu)的平均積分反射率僅為2.5%，與傳統(tǒng)的金字塔形貌陷光結(jié)構(gòu)的平均積分反射10.9%相比，積分反射明顯降低。
【專利說明】一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于硅基高效太陽電池的制備技術，尤其是一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)及制備方法。
【背景技術】
[0002]太陽能是未來最具潛力的代替化石能源的一種清潔能源，而光伏器件必須降低成本、提高轉(zhuǎn)化效率，才能真正的成為未來的能源支柱。為了降低成本同時保持高的轉(zhuǎn)換效率，采用非晶硅/晶體硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是很好的選擇，這種電池采用寬帶隙的氫化非晶硅薄膜作為窗口層或發(fā)射極，單晶硅、多晶硅片作為襯底，Sanyo公司首次提出在襯底與發(fā)射極間插入本征非晶娃薄膜，這一帶有本征薄層的異質(zhì)結(jié)太陽電池，即HIT (Heterojunctionwith Intrinsic Thin-Layer)電池結(jié)合了晶體娃和非晶娃電池的特點，受到人們廣泛關注，HIT電池具有如下優(yōu)點:1)HIT電池帶本征非晶硅薄層的結(jié)構(gòu)，在p-n結(jié)形成的同時完成了對硅片表面的鈍化，大大降低了表面缺陷態(tài)密度，提高電池效率；2)HIT電池中非晶硅薄膜在低溫條件下制備(<250°C )，避免了傳統(tǒng)單晶硅電池采用的高溫(>900°C )擴散工藝制結(jié)，節(jié)約了能源，而且低溫沉積過程中非晶硅薄膜摻雜、禁帶寬度和厚度等都可以較精確控制，工藝上也更易于優(yōu)化器件特性，此外，低溫環(huán)境下單晶硅片彎曲變形小，因而其厚度可采用本底光吸收所要求的最小值(約80 μ m)，有效減少硅材料用量；3)HIT電池光照穩(wěn)定性好，基本不受Staebler-Wronski效應的影響，而且HIT電池的溫度穩(wěn)定性好,與傳統(tǒng)單晶硅電池相比有較好的溫度系數(shù)，使得電池在高溫情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率輸出；4)HIT電池厚度薄，可以節(jié)省硅材料，成本低，低溫工藝可以減少生產(chǎn)過程中能量的消耗，高效率使得在相同輸出功率的條件下可以減少電池的面積，從而有效降低了電池的成本
HIT太陽電池的這些優(yōu)點吸引了很多研究單位的關注，并開始了相同或相類似結(jié)構(gòu)的非晶硅/晶體硅太陽電池的研究，電池的這些優(yōu)點使其成為未來高效、低成本太陽電池發(fā)展的重要方向。
[0003]陷光結(jié)構(gòu)是太陽電池中的重要組成部分，是降低成本、提高轉(zhuǎn)化效率的重要手段之一。當前對于硅襯底電池來說常常采用濕法刻蝕的方法在光的入射面制備出金字塔結(jié)構(gòu)來作為陷光結(jié)構(gòu)，但是單晶金字塔結(jié)構(gòu)在400-1100nm波長范圍內(nèi)的理論最小反射率是
10.49%，這遠遠不能滿足提高太陽電池效率所需要的陷光效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對上述技術分析，提供一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)及制備方法，該電池結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的HIT電池結(jié)構(gòu)中引入納米級尺寸的陷光結(jié)構(gòu)，與具有大金字塔絨度的硅片一起形成一種新型的具有更高陷光能力的微結(jié)構(gòu)，該新型的陷光結(jié)構(gòu)在400-1100nm波長范圍內(nèi)明顯降低入射光的損失，使入射光盡可能的進入到太陽電池的吸收層。
[0005]本發(fā)明的技術方案: 一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)，包括濕法刻蝕制備金字塔形貌、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米柱或納米錐，ZnO種子層的厚度為10-20 nm，納米柱或納米錐的長度范圍為200-1500nm，直徑為20_200nm。
[0006]一種所述基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長，得到了高效陷光作用的新型陷光結(jié)構(gòu)，具體步驟如下:
1)將Si襯底分別用丙酮和酒精超聲清洗5min，然后用80°C的濃度為10wt%的NaOH溶液對清洗過的硅片預清洗2min以去除硅片表面的機械損傷層，再將預清洗后的硅片放入腐蝕液中恒溫80°C腐蝕40分鐘，取出樣品用去離子水沖洗2-3min，獲得金字塔結(jié)構(gòu)的絨度娃襯底；
2)配置濃度為5-30mM/L的IOOmL醋酸鋅乙醇溶液作為種子液，將制絨后的Si襯底在種子液中浸沾2-10次，每次浸沾時間為20s，然后將浸沾好的襯底平行放入馬弗爐中在溫度為200-400°C下退火lh，即可將醋酸鋅脫水結(jié)晶成氧化鋅晶粒，即為氧化鋅種子層；
3)配置200mL的硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合液作為生長液，生長液中硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度均為5-30mM/L，向生長液加入0.33-3.3mL的1_3丙二胺(DAP)，將種子層正面向下懸浮在生長液中，并用保鮮膜將容器口密封，然后放入馬弗爐中在85°C溫度下生長l_6h，取出樣品用去離子水和無水乙醇交替沖洗4-10次，生長出氧化鋅納米柱，最后用氮氣吹干，即可制得基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)。
[0007]所述腐蝕液為氫氧化鈉、硅酸鈉和異丙醇的混合水溶液，7400mL腐蝕液中含有74g氫氧化鈉、74g娃酸鈉和444mL異丙醇。
[0008]一種所述基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的應用，用于帶有本征薄層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，方法是在硅片制絨后進行硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的本征鈍化層和摻雜層生長，生長結(jié)束之后硅片仍呈現(xiàn)金字塔相貌，然后再進行納米級尺寸ZnO的制備，所述太陽電池由金屬層、摻雜層、金字塔絨度硅片、本征鈍化層、摻雜層、納米級ZnO結(jié)構(gòu)、透明導電薄膜(ITO)和金屬電極依次疊加組成，其中納米級ZnO結(jié)構(gòu)也可位于透明導電薄膜(ITO)之后。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果:本發(fā)明利用了傳統(tǒng)金字塔形貌的陷光作用和新型納米結(jié)構(gòu)材料陷光性能，采用簡單易行的水熱法，實現(xiàn)了低反射率的新型陷光結(jié)構(gòu)的制備，并且將陷光結(jié)構(gòu)應用到了 Si襯底太陽電池上，在400-1 IOOnm范圍內(nèi)，長有氧化鋅納米柱的新型陷光結(jié)構(gòu)的平均積分反射為5.1%，長有氧化鋅納米錐的新型陷光結(jié)構(gòu)的平均積分反射率僅為2.5%，與傳統(tǒng)的金字塔形貌陷光結(jié)構(gòu)的平均積分反射10.9%相比，積分反射明顯降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1(a)和(b)為引入納米級尺寸陷光的新型HIT電池的基本結(jié)構(gòu)。
[0011]圖2為傳統(tǒng)的濕法腐蝕硅襯底獲得的金字塔結(jié)構(gòu)的形貌圖。
[0012]圖3為納米級ZnO陷光結(jié)構(gòu)的絨度硅襯底的形貌圖。
[0013]圖4為引入納米柱ZnO陷光結(jié)構(gòu)的絨度硅襯底與傳統(tǒng)金字塔陷光結(jié)構(gòu)的積分反射效果對比圖。
[0014]圖5為引入納米錐ZnO陷光結(jié)構(gòu)的絨度硅襯底與傳統(tǒng)金字塔陷光結(jié)構(gòu)的積分反射效果對比圖。
【具體實施方式】
[0015]實施例1:
一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長，得到了高效陷光作用的新型陷光結(jié)構(gòu)，所述陷光結(jié)構(gòu)包括:濕法刻蝕制備金字塔形貌的硅襯底、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米柱，其中種子層是醋酸鋅脫水形成的氧化鋅晶粒，厚度為15nm，氧化鋅納米柱在種子層沿C軸垂直襯底生長，長度為600nm，直徑為70nm，具體步驟如下:
1)將(100)晶向硅片分別用丙酮和酒精超聲清洗5min，然后用80°C的濃度為10wt%的NaOH溶液對清洗過的硅片預清洗2min以去除硅片表面的機械損傷層，再將預清洗后的硅片放入7400mL腐蝕液中恒溫80°C腐蝕40分鐘，所述腐蝕液為氫氧化鈉、硅酸鈉和異丙醇的混合水溶液，7400mL腐蝕液中含有74g氫氧化鈉、74g硅酸鈉和444mL異丙醇，取出樣品用去離子水沖洗2min，獲得金字塔結(jié)構(gòu)的絨度硅襯底；
2)配置濃度為20mM/L的IOOmL醋酸鋅乙醇溶液作為種子液，將制絨后的Si襯底在種子液中浸沾5次，每次浸沾時間為20s，然后將浸沾好的襯底平行放入馬弗爐中在溫度為200°C下退火lh，即可將醋酸鋅脫水結(jié)晶成氧化鋅晶粒，即為氧化鋅種子層；
3)配置200mL的硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合液作為生長液，生長液中硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度均為15mM/L，將種子層正面向下懸浮在生長液中，并用保鮮膜將容器口密封，然后放入馬弗爐中在85°C溫度下生長3h，取出樣品用去離子水和無水乙醇交替沖洗6次，生長出氧化鋅納米柱，最后用氮氣吹干，即可制得基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)。
[0016]圖2為傳統(tǒng)的濕法腐蝕硅襯底獲得的金字塔結(jié)構(gòu)的形貌圖，圖3為引入水熱法制備的基于納米級尺寸ZnO的絨度硅襯底的形貌圖，從形貌上分析可以看出，氧化鋅納米柱覆蓋了金字塔，但是整體的金字塔結(jié)構(gòu)沒有改變，既保持了金字塔陷光效果，又增加了納米結(jié)構(gòu)的陷光作用。
[0017]圖4是傳統(tǒng)的金字塔陷光結(jié)構(gòu)和采用水熱法制備的新型陷光結(jié)構(gòu)的積分反射效果對比圖，從圖中可以看出:新型的陷光結(jié)構(gòu)的積分反射遠遠優(yōu)越于傳統(tǒng)的金字塔結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的金字塔絨度陷光結(jié)構(gòu)的積分反射在400-1100nm波長范圍內(nèi)的積分反射約在10%，而本發(fā)明專利新型陷光結(jié)構(gòu)的積分反射僅為5%。
[0018]將制備的納米級氧化鋅陷光結(jié)構(gòu)用于帶有本征薄層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，方法是在硅片制絨后進行硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的本征鈍化層和摻雜層生長，生長結(jié)束之后硅片仍呈現(xiàn)金字塔相貌，然后再進行陷光陷光結(jié)構(gòu)的制備，所述太陽電池由金屬層、摻雜層、金字塔絨度硅片、本征鈍化層、摻雜層、納米級ZnO結(jié)構(gòu)、透明導電薄膜(ITO)和金屬電極依次疊加組成，如圖1 (b)所示,或者納米級ZnO結(jié)構(gòu)也可位于透明導電薄膜(ITO)之后,如圖1 (a)所示。
[0019]實施例2:
一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長，得到了高效陷光作用的新型陷光結(jié)構(gòu)，所述陷光結(jié)構(gòu)包括:濕法刻蝕制備金字塔形貌的硅襯底、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米柱，其中種子層是醋酸鋅脫水形成的氧化鋅晶粒，厚度為15nm，氧化鋅納米柱在種子層沿C軸垂直襯底生長，長度為800nm，直徑為50nm。具體步驟如下:
1)、2)與實施例1相同；
3)配置200mL的硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合液作為生長液，生長液中硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度均為20mM/L，將種子層正面向下懸浮在生長液中，并用保鮮膜將容器口密封，然后放入馬弗爐中在85°C溫度下生長6h，取出樣品用去離子水和無水乙醇交替沖洗8次，生長出氧化鋅納米柱，最后用氮氣吹干，即可制得基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)。
[0020]該實施例制備的新型陷光結(jié)構(gòu)的技術效果與實施例1類同。
[0021]實施例3:
一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長，得到了高效陷光作用的新型陷光結(jié)構(gòu)，所述陷光結(jié)構(gòu)包括:濕法刻蝕制備金字塔形貌的硅襯底、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米錐，其中種子層是醋酸鋅脫水形成的氧化鋅晶粒，厚度為10nm，氧化鋅納米錐在種子層沿C軸垂直襯底生長，長度為300nm，直徑為80nm。具體步驟如下:
I)將(100)晶向硅片分別用丙酮和酒精超聲清洗5min，然后用80°C的濃度為10wt%的NaOH溶液對清洗過的硅片預清洗2min以去除硅片表面的機械損傷層，再將預清洗后的硅片放入7400mL腐蝕液中恒溫80°C腐蝕40分鐘，所述腐蝕液為氫氧化鈉、硅酸鈉和異丙醇的混合水溶液，7400mL腐蝕液中含有74g氫氧化鈉、74g硅酸鈉和444mL異丙醇，取出樣品用去離子水沖洗3min，獲得金字塔結(jié)構(gòu)的絨度硅襯底。
[0022]2)配置濃度為15mM/L的IOOmL醋酸鋅乙醇溶液作為種子液，將制絨后的Si襯底在種子液中浸沾5次，每次浸沾時間為20s，然后將浸沾好的襯底平行放入馬弗爐中在溫度為200°C下退火lh，即可將醋酸鋅脫水結(jié)晶成氧化鋅晶粒，即為氧化鋅種子層；
3)配置200mL的硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合液作為生長液，生長液中硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度均為20mM/L，向生長液加入0.5mL的1_3丙二胺(DAP)，將種子層正面向下懸浮在生長液中，并用保鮮膜將容器口密封，然后放入馬弗爐中在85°C溫度下生長3h，取出樣品用去離子水和無水乙醇交替沖洗5次，生長出氧化鋅納米柱，最后用氮氣吹干，即可制得基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)。
[0023]圖5是傳統(tǒng)的金字塔陷光結(jié)構(gòu)和采用水熱法制備的新型陷光結(jié)構(gòu)的積分反射效果對比圖，從圖中可以看出:新型的陷光結(jié)構(gòu)的積分反射遠遠優(yōu)越于傳統(tǒng)的金字塔結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的金字塔絨度陷光結(jié)構(gòu)的積分反射在400-1100nm波長范圍內(nèi)的積分反射約在10%，而本發(fā)明專利新型陷光結(jié)構(gòu)的積分反射僅為2.5%。
[0024]實施例4:
一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長，得到了高效陷光作用的新型陷光結(jié)構(gòu)，所述陷光結(jié)構(gòu)包括:濕法刻蝕制備金字塔形貌的硅襯底、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米錐，其中種子層是醋酸鋅脫水形成的氧化鋅晶粒，厚度為10nm，氧化鋅納米錐在種子層沿C軸垂直襯底生長，高度為400nm，具體步驟如下:
1)、2)與實施例1相同；
3)配置200mL的硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合液作為生長液，生長液中硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度均為20mM/L，向生長液加入3.0mL的1_3丙二胺(DAP)，將種子層正面向下懸浮在生長液中，并用保鮮膜將容器口密封，然后放入馬弗爐中在85°C溫度下生長lh，取出樣品用去離子水和無水乙醇交替沖洗5次，生長出氧化鋅納米柱，最后用氮氣吹干，即可制得基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)。
[0025]該實施例制備的新型陷光結(jié)構(gòu)的技術效果與實施例1類同。
[0026]綜上所述，本發(fā)明提供了一種制備能夠明顯降低反射率的新型陷光結(jié)構(gòu)的有效方法，該方法與傳統(tǒng)的制備金字塔陷光結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠適用于大多數(shù)的Si襯底電池。該新型的陷光結(jié)構(gòu)能在300-1200nm波段內(nèi)有效抑制光的反射，減少入射光的損失，使更多的太陽光耦合進電池，有利于電池對太陽光的吸收和利用，從而明顯的改善電池的短路電流，提高太陽電池的轉(zhuǎn)化效率。
[0027]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
【權利要求】
1.一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)，其特征在于:包括濕法刻蝕制備金字塔形貌的硅襯底、ZnO種子層和在種子層基礎上生長的氧化鋅納米柱或納米錐，ZnO種子層的厚度為10-20nm，納米柱或納米錐的長度范圍為200_1500nm，直徑為20_200nm。
2.一種基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:利用濕法刻蝕制備金字塔形貌，采用溶液浸沾法制備種子層，用水熱法進行氧化鋅納米柱或納米錐的生長，得到了高效陷光作用的新型陷光結(jié)構(gòu)，具體步驟如下: 1)將Si襯底分別用丙酮和酒精超聲清洗5min，然后用80°C的濃度為10wt%的NaOH溶液對清洗過的硅片預清洗2min以去除硅片表面的機械損傷層，再將預清洗后的硅片放入腐蝕液中恒溫80°C腐蝕40分鐘，取出樣品用去離子水沖洗2-3min，獲得金字塔結(jié)構(gòu)的絨度娃襯底； 2)配置濃度為5-30mM/L的IOOmL醋酸鋅乙醇溶液作為種子液，將制絨后的Si襯底在種子液中浸沾2-10次，每次浸沾時間為20s，然后將浸沾好的襯底平行放入馬弗爐中在溫度為200-400°C下退火lh，即可將醋酸鋅脫水結(jié)晶成氧化鋅晶粒，即為氧化鋅種子層； 3)配置200mL的硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合液作為生長液，生長液中硝酸鋅和六亞甲基四胺的濃度均為5-30mM/L，向生長液加入0.33-3.3mL的1_3丙二胺(DAP)，將種子層正面向下懸浮在生長液中，并用保鮮膜將容器口密封，然后放入馬弗爐中在85°C溫度下生長l_6h，取出樣品用去離子水和無水乙醇交替沖洗4-10次，生長出氧化鋅納米柱，最后用氮氣吹干，即可制得基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權利要求2所述基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述腐蝕液為氫氧化鈉、硅酸鈉和異丙醇的混合水溶液，7400mL腐蝕液中含有74g氫氧化鈉、74g硅酸鈉和444mL異丙醇。
4.一種如權利要求1所述基于納米氧化鋅硅異質(zhì)結(jié)電池的陷光結(jié)構(gòu)構(gòu)的應用，用于帶有本征薄層的硅異質(zhì)結(jié)太陽電池，方法是在硅片制絨后進行硅異質(zhì)結(jié)太陽電池的本征鈍化層和摻雜層生長，生長結(jié)束之后硅片仍呈現(xiàn)金字塔相貌，然后再進行陷光陷光結(jié)構(gòu)的制備，所述太陽電池由金屬層、摻雜層、金字塔絨度硅片、本征鈍化層、摻雜層、納米級ZnO結(jié)構(gòu)、透明導電薄膜和金屬電極依次疊加組成，其中納米級ZnO結(jié)構(gòu)也可位于透明導電薄膜之后。
【文檔編號】H01L31/0352GK103489942SQ201310477860
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權日:2013年10月14日
【發(fā)明者】張曉丹, 許盛之, 魏長春, 黃茜, 趙穎 申請人:南開大學