专利名称：一种纳米晶/量子点敏化硅基电池片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及半导体纳米晶/量子点光电材料及太阳能电池，具体涉及一种纳米晶/量子点敏化硅基电池片及其制备方法。
背景技术：
太阳能将成为未来重要的能源来源。到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。
单晶硅太阳能电池称为第一代光伏器件，最高理论转换效率约31-33%，实验室最高转换效率为25%左右。市场上大量生产的单晶硅太阳电池平均效率在15%左右，是目前转换效率最高，技术最为成熟的光伏器件。在大规模应用和工业生产中占据主导地位，占据目前世界光伏市场的90%以上。晶硅太阳能电池尽管有较高的光电转换效率，但离理论值仍有一定的差距，具有很大的发展空间。晶体硅的能隙为I. 12eV，高于能隙的太阳光子被吸收后产生热电子与空穴，通过随后的声子发射，这些热载流子在它们的能量被捕获之前迅速冷却，导致大量的太阳光能以“热电子”的形式损耗，限制了器件效率。另外，电池板具有一定的反射作用，也损失部分太阳光能。电池制造商对电池板采用表面织构化、表面蚀刻、发射区钝化、分区掺杂等技术进行处理，提高光伏器件的光电转换效率，减少光反射损失；虽然电池的光吸收范围有所拓展，但对太阳光能的吸收和转换效率并没有明显提高；在晶硅材料上蒸镀SiN减反射钝化涂层也大大增加生产成本。纳米晶/量子点有如下特点(1)量子尺寸效应(2)宏观量子隧道效应(3)介电限域效应；并由这些效应产生了能隙调制，高消光系数，大的本征偶极距等很多特性。这些特性让其作为光吸收剂被认为是下一代光伏器件关键材料而引起极大关注。所以合理利用量子点敏化晶硅电池片可以有效的增加其对光的吸收、降低反射、增加光电流密度和光电转化效率。在研究过程中，我们通过在硅基片上涂覆纳米晶/量子点，可以达到减反射，钝化和敏化硅晶片的效果，提升电池片的光电转换效率，从而降低了硅电池的应用成本。其次，纳米晶/量子点本身具有减反射的作用，此技术可以代替减反射膜，达到良好的减反射效果，从而可以从工艺上节省成本。晶硅太阳能电池的优势工艺成熟，具有很好的转换效率。将纳米晶/量子点与现有硅晶太阳能电池的优势结合，可以进一步提高太阳能电池的转换效率，而且理论上量子点可以取代氮化硅做成减反射膜，可以达到既减反射又提升转换效率的双重作用。
发明内容
本发明是利用量子点能隙调制，高消光系数，大的本征偶极距等很多特性，在现有晶硅太阳能电池工业生产的基础之上，在硅基电池片上生长纳米晶/量子点，制备对太阳光谱的吸收效率高，反射率低，光电流密度和光电转化效率高的硅基电池片。本发明通过下述技术方案予以实现一种纳米晶/量子点敏化硅基太阳能电池片，由硅基电池片和纳米晶/量子点涂覆层，所述纳米晶/量子点涂覆层致密均匀地生长在所述硅基电池表面，厚度在5(T200nm之间，纳米晶/量子点和硅基电池片可以形成异质结，从而有效传递纳米晶/量子点所产生的广生载流子和电荷。所述纳米晶/量子点为纳米级半导体材料硫化铜、硫化铅、硫化锡、硫化锌、硫化钥、硫化铁、硫化铺、硫化镉、硫化银、硫化镍、硒化镉和硒化铅中的一种，粒径在5-50nm。所述硅基电池片为单晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅太阳能电池片。上述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法包括以下步骤(I)纳米晶/量子点的合成配制0. 01-0. 5mol/L的金属源溶液和0. 01-0. 5mol/L的硫源溶液，按照金属源硫源的摩尔比为I :1-1 :3将硫源逐滴加入到金属源溶液中，离心分离，洗涤所得固体物质，得到纳米晶/量子点；金属源为铜、铅、锡、锌、钥、铁、锑、铋、镉、银、镍或钴的醋酸盐、硫酸盐、硝酸盐或盐酸盐，硫源包括硫化钠、硫代乙酰胺、硫脲和硫代硫酸钠；(2)纳米晶/量子点涂覆在硅基电池片上将上述纳米晶/量子点分散在乙醇、水或丙酮溶液中，在硅基电池片上涂覆广10层，每涂覆一层后，在6(T80°C烘箱中干燥；(3)热处理涂覆完成后，将纳米晶/量子点敏化后的硅基电池片在10(T30(TC烘箱中热处理3 lOMin，使纳米晶/量子点致密均匀地生长在硅基电池表面。所述涂覆方法包括喷涂、旋涂、印刷、滴涂和滚涂。所述硅基电池片经过预处理I)将硅基电池片放入乙醇、丙酮或水溶剂中超声洗涤f 15min，用水冲洗；2)在2(T60°C条件下，用蒸馏水、H2O2和氨水的混合溶液清洗5 15Min ；3)放入质量浓度59^30%的氢氟酸溶液中，超声腐蚀2 15Min，用超纯水冲洗。为调节反应的速度和控制纳米晶/量子点的形貌，步骤(I)中加入硫源后金属源溶液中亦可以加入表面活性剂或络合剂，例如三乙醇胺，EDTA等，金属源和表面活性剂的摩尔浓度比为I: f 1:3之间。步骤(2)中蒸馏水、H2O2和氨水的混合溶液为按照蒸馏水质量分数为30%的H2O2:质量分数25% 28%的氨水的体积比为2:1:1-9:1:1配得。通过上述技术方案，本发明提供了一种太阳光的吸收率和光电转化效率高、反射率低的硅基电池片，与原硅基电池片相比，开路电压增大5°/ri5%，光电流密度及光电转换效率增加1(T60%左右；另外本发明中纳米晶/量子点作为钝化及减反射层可以代替SiN而降低成本，同时具有工艺简便，反应时间短的优点，容易大规模化生产和应用。
图I纳米晶/量子点敏化娃基电池片结构示意图，图中I为梳状电极,2为量子点层，3为N型层，4为P-N结，5为P型层，6为背电极。图2为实施例I纳米晶/量子点敏化晶硅电池片电流-电压曲线图。图3为实施例I纳米晶/量子点敏化晶硅电池片光电响应功率图。、具体实施方案本发明所用原料采用分析纯原料。实施例I(I)硅基片的预处 理先将硅基片垂直放入无水乙醇中超声洗涤5min，用水冲洗后，在室温下，用体积比为4:1:1的蒸馏水=H2O2 (质量浓度30%):氨水(质量浓度25%)混合溶液清洗5Min，然后再垂直放入用乙醇稀释至30%的氢氟酸溶液中腐蚀，并超声5Min，取出后，用超纯水冲洗；(2)纳米晶/量子点的合成分别配制浓度为0. 05mol/L的醋酸铜乙醇溶液和0. 05mol/L的硫代乙酰胺乙醇溶液作为金属源和硫源，按照I: I的体积比将30mL硫代乙酰胺溶液以20滴/分钟的滴加速度加入到30mL醋酸铜溶液中，加入EDTA1. 5mmol,反应IOOmin,得到硫化铜纳米晶/量子点溶液，离心分离，所得固体物质用水和乙醇交替洗涤5次，得到纯净硫化铜纳米晶/量子点；(3)纳米晶/量子点的涂覆将上述合成的硫化铜纳米晶/量子点分散在乙醇溶液中，通过滴涂的方法在硅基电池片上涂覆5层，每涂覆一层在60°C烘箱中干燥，涂覆完成后，将纳米晶/量子点敏化后的硅基电池片在200°C烘箱中处理5Min。用功率为500W的氙灯模拟太阳光作为光源，用电化学工作站测其I-V曲线，并转化为光电响应功率图。从附图2可以看出，相对于原硅基片，其开路电压(Voc)从0. 57V增加到0. 60V,开路电压增加了 5%左右。从附图3可以看出，相对于原娃基片，最闻点功率从0. 019 (mw/cm2)增加到0. 025 (mw/cm2)，最高点光电响应功率增加了 32%左右，说明滴涂的量子点材料敏化过后的娃基太阳能电池光电性能大幅提闻。实施例2本实施例与实施例I的不同之处在于步骤(2)中金属源溶液和硫源溶液分别为为0. 05mol/L的醋酸铅溶液和0. 15M的硫代乙酰胺醇溶液；步骤(3)中涂覆5层。实施例3a、纳米晶/量子点的合成分别配制浓度为0. 05mol/L的硫酸镉溶液和0. 05M的硫化钠溶液作为金属源和硫源，将硫代乙酰胺溶液按照I :1的体积比慢慢加入到硫酸镉溶液中，控制20滴/min的滴加速度，得到的硫化镉纳米晶/量子点，离心分离，用水和乙醇交替洗涤数次，得到硫化镉纳
米晶/量子点。b、硅基电池片的预处理将硅基电池片垂直放入无水乙醇中超声洗涤2-10min，用水冲洗后，在室温条件下，用比例为4:1:1的蒸馏水质量分数30%的H2O2 :质量分数25%的氨水混合溶液清洗2-10Min,然后再垂直放入用乙醇稀释至30%的氢氟酸溶液中腐蚀，超声2-10Min，取出后，用超纯水冲洗。C、纳米晶/量子点在硅基电池片上的涂覆将合成的硫化镉纳米晶/量子点分散在乙醇溶液中，通过滴涂的方法在硅基电池片上涂覆10层，每涂覆一层在60°C烘箱中干燥，涂覆完成后，将硫化镉量子点敏化后的硅基片在200°C烘箱中处理2-10Min。实施例4a、纳米晶/量子点的合成分别配制浓度为0. 05mol/L的四氯化锡/乙醇溶液和0. 15M的硫代乙酰胺/乙醇溶液作为金属源和硫源，将硫代乙酰胺溶液按照I :3的体积比慢慢加入到四氯化锡溶液中，控制20滴/min的滴加速度，得到的硫化锡纳米晶/量子点，离心分离，洗涤数次，得到硫化锡纳米晶/量子点。b、硅基电池片的预处理将硅基电池片垂直放入无水乙醇中超声洗涤lOmin，用水冲洗后，在50°C条件下，用比例为4:1:1的蒸馏水质量分数30%的H2O2 :质量分数25%的氨水混合溶液清洗lOMin， 然后再垂直放入用乙醇稀释至30%的氢氟酸溶液中腐蚀，超声lOMin，取出后，用超纯水冲洗。C、纳米晶/量子点在硅基电池片上的涂覆将合成的硫化锡纳米晶/量子点分散在乙醇溶液中，通过滴涂的方法在硅基上涂覆5层，每涂覆一层在60°C烘箱中干燥，涂覆完成后，将硫化锡量子点敏化后的硅基片在200°C烘箱中处理lOMin。实施例5a、纳米晶/量子点的合成分别配制浓度为0. 05mol/L的醋酸锌溶液和0. 05M的硫脲溶液作为金属源和硫源，将硫脲溶液按照I :1的体积比慢慢加入到醋酸锌溶液中，控制20滴/min的滴加速度，得到的硫化锌纳米晶/量子点，离心分离，洗涤数次，得到硫化锌量子点。b、硅基电池片的预处理将硅基电池片垂直放入无水乙醇中超声洗涤2-10min，用水冲洗后，在50°C条件下，用比例为4:1:1的蒸馏水质量分数30%的H2O2 :质量分数25%的氨水混合溶液清洗2Min,然后再垂直放入用乙醇稀释至30%的氢氟酸溶液中腐蚀，超声2Min，取出后，用超纯水冲洗。C、纳米晶/量子点在硅基电池片上的涂覆将合成的量子点分散在乙醇溶液中，通过滴涂的方法在硅基上涂覆I层，在60°C烘箱中干燥，涂覆完成后，将量子点敏化后的硅基片在200°C烘箱中处理2Min。以上实施例只是对本发明做进一步说明，并非用以限制本发明专利，凡为本发明等效实施，均应包含于本发明专利的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种纳米晶/量子点敏化硅基太阳能电池片，其特征在于，由硅基电池片和纳米晶/量子点涂覆层，所述纳米晶/量子点涂覆层致密均匀地生长在所述硅基电池表面，厚度在50 200nm之间。
2.权利要求I所述的纳米晶/量子点敏化硅基太阳能电池片，其特征在于，所述纳米晶/量子点为纳米级半导体材料硫化铜、硫化铅、硫化锡、硫化锌、硫化钥、硫化铁、硫化锑、硫化镉、硫化银、硫化镍、硒化镉和硒化铅中的一种，粒径在5-50nm。
3.权利要求I所述的纳米晶/量子点敏化硅基太阳能电池片，其特征在于，所述硅基电池片为单晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅太阳能电池片。
4.权利要求1、2或3所述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤(1)纳米晶/量子点的合成配制0.01-0. 5mol/L的金属源溶液和0. 01-0. 5mol/L的硫源溶液，按照金属源硫源的摩尔比为I :1-1 :3将硫源逐滴加入到金属源溶液中，离心分离，洗涤所得固体物质，得到纳米晶/量子点；金属源为铜、铅、锡、锌、钥、铁、锑、铋、镉、银、镍或钴的醋酸盐、硫酸盐、硝酸盐或盐酸盐，硫源包括硫化钠、硫代乙酰胺、硫脲和硫代硫酸钠； (2)纳米晶/量子点涂覆在硅基电池片上将上述纳米晶/量子点分散在乙醇、水或丙酮溶液中，在硅基电池片上涂覆广10层，每涂覆一层后，在6(T80°C烘箱中干燥； (3)热处理涂覆完成后，将纳米晶/量子点敏化后的硅基电池片在10(T30(TC烘箱中热处理3 lOMin，使纳米晶/量子点致密均匀地生长在硅基电池表面。
5.权利要求4所述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，其特征在于，所述涂覆方法包括喷涂、旋涂、印刷、滴涂和滚涂。
6.权利要求4所述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，其特征在于，所述硅基电池片经过预处理 1)将硅基电池片放入乙醇、丙酮或水溶剂中超声洗涤f15min，用水冲洗； 2)在2(T60°C条件下，用蒸馏水、H2O2和氨水的混合溶液清洗5 15Min； 3)放入质量浓度59^30%的氢氟酸溶液中，超声腐蚀2 15Min，用超纯水冲洗。
7.权利要求4所述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，其特征在于，步骤(I)中金属源溶液中加入硫源后加入表面活性剂，金属源表面活性剂的摩尔浓度比为1:1-1:3。
8.权利要求4所述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中蒸馏水、H2O2和氨水的混合溶液为按照蒸馏水质量分数为30%的H2O2 :质量分数259^28%的氨水的体积比为2:1:1-9:1:1配得。
全文摘要
本发明公开了一种纳米晶/量子点敏化硅基片太阳能电池及其制备方法，通过喷涂、旋涂、印刷等方法在硅基电池片上涂覆纳米晶/量子点。本发明提供的纳米晶/量子点敏化硅基片太阳能电池具有太阳光的吸收率和光电转化效率高、反射率低的优点，与原硅基电池片相比，开路电压增大5%~15%，光电流密度及光电转换效率增加10~60%左右；另外本发明中纳米晶/量子点作为钝化及减反射层可以代替SiN而降低成本，同时具有工艺简便，反应时间短的优点，容易大规模化生产和应用。
文档编号H01L31/18GK102709348SQ20121018939
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者余锡宾, 冯吴亮, 夏玉胜, 浦旭鑫 申请人:上海师范大学