表面分布有摻雜ZnO納米線的硅基薄膜太陽電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表面分布有摻雜ZnO納米線的硅基薄膜太陽電池，摻雜ZnO納米線與硅薄膜太陽電池復合組裝成陷光結(jié)構(gòu)的太陽電池，包括由下而上依次逐層連接的玻璃襯底、背電極、第一摻雜ZnO納米線層、吸收層、窗口層和第二摻雜ZnO納米線層。本發(fā)明通過在太陽電池的窗口層和背電極與吸收層的界面都組裝鋁或硼摻雜ZnO納米線，形成陷光復合結(jié)構(gòu)的薄膜太陽電池。摻雜后的ZnO納米線具有良好的光電特性，使光場能夠沿摻雜ZnO納米線散射和傳播，使更多的光線進入太陽電池得到有效吸收捕獲，提高電池內(nèi)部載流子收集效率，進而提高硅基薄膜太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】表面分布有摻雜ZnO納米線的硅基薄膜太陽電池
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽電池，具體涉及一種表面分布有摻雜ZnO納米線的硅基薄膜太陽電池。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，我國的光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度驚人，產(chǎn)量已經(jīng)穩(wěn)居全球第一。但是，國內(nèi)相關(guān)的科學研究還很缺乏，技術(shù)積累薄弱，阻礙了光伏產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。目前太陽電池的研究主要集中在如何提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本等方面。
[0003]降低太陽電池的生產(chǎn)成本首先要降低組件成本，而要降低組件成本首先要降低材料成本，特別是晶體硅材料成本。即一是提高光電轉(zhuǎn)換效率，二是薄膜化(或薄層化、薄片化)。太陽電池厚度減小時，由于透射光引起的損失隨著厚度的減小而增大，對于間接禁帶材料硅來說，這種損失比直接禁帶材料的大。
[0004]半導體納米材料，特別是寬帶隙金屬氧化物納米線，由于其良好的透光性和光電性能，在太陽電池領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。正如前面所述:光學損失是限制太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率提高的主要障礙之一，而構(gòu)筑透明導電薄膜納米陷光結(jié)構(gòu)是一種非常有效的重要技術(shù)手段。人們?yōu)榱丝朔谔栯姵仄骷泄璨牧喜荒軐⒐饩€入射光完全吸收的弱點，設(shè)計了各種新型高效的表面陷光結(jié)構(gòu)來聚焦太陽光、增加光子密度，從而減小P-n結(jié)接觸電壓損失，提高太陽電池器件的效率。
[0005]經(jīng)對現(xiàn)有相關(guān)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，有研究者研究了包括ZnO在內(nèi)的金屬氧化物納米線的光電特性，(N.Mathews, B.Varghese, C.Sun, V.Thavasi, B.P.Andreasson, C.H.Sow, S.Ramakrishna, S.G.Mhaisalkar, Oxide nanowire networks and their electronic andoptoelectronic characteristics [J], Nanoscale2010, 2, 1984-1998.)，發(fā)現(xiàn)ZnO等金屬氧化物納米線在光電領(lǐng)域有優(yōu)良的前景，能夠降低光在太陽電池表面的反射率，提高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率。
[0006]ZnO納米線是一種新型的I1- VI族直接帶隙寬禁帶氧化物半導體材料，其原材料儲量豐富，價格低廉。但目前針對這種材料在太陽電池方面的應(yīng)用還很少，因為單純的ZnO納米線導電性并不理想。對于本征的ZnO納米線，其電阻率一般為KT1Q.cm，摻雜ZnO納米線電阻率可以下降到10_3Ω.cm甚至更低。
[0007]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種摻雜ZnO納米線的太陽電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種表面分布有摻雜ZnO納米線陷光結(jié)構(gòu)的硅基薄膜太陽電池，將摻雜ZnO納米線組裝到硅基薄膜太陽電池的窗口層表面，以及背電極與吸收層之間，利用ZnO納米線光波導組裝結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒋翱诮饘匐姌O遮擋掉的入射陽光傳輸利用，而入射光與納米線結(jié)構(gòu)表面的自由電荷相互作用而形成陷光結(jié)構(gòu)，光場能夠沿納米線散射和傳播，合理的陷光組裝結(jié)構(gòu)能夠使更多的光線進入太陽電池得到有效吸收捕獲，提高太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0009]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0010]一種表面分布有摻雜ZnO納米線的硅基薄膜太陽電池，包括由下而上依次逐層連接的玻璃襯底、背電極、第一摻雜ZnO納米線層、吸收層、窗口層和第二摻雜ZnO納米線層；第一摻雜ZnO納米線層由分布在所述背電極與所述吸收層之間的摻雜ZnO納米線形成，第二摻雜ZnO納米線層由分布在所述窗口層表面的摻雜ZnO納米線形成；第一摻雜ZnO納米線層的摻雜ZnO納米線和第二摻雜ZnO納米線層的摻雜ZnO納米線相同。
[0011]進一步地，玻璃襯底為鋼化玻璃襯底。
[0012]進一步地，摻雜ZnO納米線的直徑在10-100納米之間。
[0013]進一步地，摻雜ZnO納米線的單根長度大于1000納米。
[0014]進一步地，摻雜ZnO納米線為鋁(Al)或硼(B)摻雜ZnO納米線。
[0015]更進一步地，摻雜ZnO納米線為通過碳熱還原法、溶劑熱法、水熱法或化學氣相沉積法制備的鋁或硼摻雜ZnO納米線。
[0016]進一步地，摻雜ZnO納米線在背電極與吸收層之間的分布密度為1-10萬根/平方毫米；摻雜ZnO納米線在窗口層表面的分布密度為1-10萬根/平方毫米。
[0017]進一步地，背電極為鋁制電極。
[0018]進一步地，吸收層為微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。
[0019]進一步地，窗口層通過離子擴散工藝制得。
[0020]本發(fā)明通過以下方式制備獲得:
[0021]在制作好硅薄膜太陽電池的玻璃襯底和窗口層后，將鋁或硼摻雜的ZnO納米線超聲分散到有機溶劑中，然后組裝到硅基薄膜太陽電池的窗口層表面，以及背電極與吸收層之間，制備得到微晶硅或非晶硅的硅基薄膜太陽電池。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:基于碳熱還原法、溶劑熱法、水熱法或者化學氣相沉積法大量可控制備摻雜鋁或硼的ZnO納米線，運用非真空大面積低成本納米線組裝復合薄膜制備技術(shù)，構(gòu)筑典型硅薄膜太陽電池窗口層的高效納米線陷光復合結(jié)構(gòu)。一方面，摻雜ZnO納米線光波導組裝結(jié)構(gòu)能將窗口層金屬電極遮擋掉的入射陽光傳輸利用，提高陽光的利用率。另一方面，利用摻雜ZnO納米線的透明導電性和調(diào)制光波波導作用，復合陷光結(jié)構(gòu)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)的作用機理，能夠進一步減小串聯(lián)電阻，增強太陽電池的陷光性能，從而全面提高太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率和降低制造成本，這對取得新型太陽電池技術(shù)重要知識產(chǎn)權(quán)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究重大成果具有重要現(xiàn)實意義。
[0023]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體實例及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進一步說明，以充分地了解本發(fā)明。提供這些說明的目的僅在于幫助解釋本發(fā)明，不應(yīng)當用來限制本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的一個較佳實施例的硅基薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2為圖1中的硅基薄膜太陽電池的表面掃描電鏡照片。
【具體實施方式】[0026]實施例1
[0027]如圖1所示，本實施例的表面分布有摻雜ZnO納米線的硅基薄膜太陽電池包括由下而上依次逐層連接的玻璃襯底1、背電極2、第一摻雜ZnO納米線層3、吸收層4、窗口層5和第二摻雜ZnO納米線層6。窗口層5表面以及背電極2與吸收層4之間均分布有摻雜ZnO納米線涂層。其中摻雜的ZnO納米線的直徑在10-100納米之間，單根長度大于1000納米，具體為鋁(Al)或硼(B)摻雜的ZnO納米線，摻雜ZnO納米線可通過碳熱還原法、溶劑熱法、水熱法或化學氣相沉積法制備。經(jīng)多項反復實施，以上方法制備的摻雜ZnO納米線，性能和效果符合本項發(fā)明的要求。
[0028]摻雜ZnO納米線在窗口層5表面以及背電極2與吸收層4之間的分布密度在1_10萬根/平方毫米的范圍內(nèi)，經(jīng)多項(I萬根/平方毫米、5萬根/平方毫米、10萬根/平方毫米等等實例)實施性能和效果符合本項發(fā)明的要求。
[0029]背電極2為鋁制電極，采用絲網(wǎng)印刷方法形成；窗口層5通過高溫離子(如磷)擴散工藝而形成；吸收層4為微晶硅薄膜，采用等離子化學氣相沉積法制得。
[0030]在制作好硅薄膜太陽電池的玻璃襯底I和窗口層5后，將鋁或硼摻雜的ZnO納米線超聲分散到有機溶劑中，然后組裝到硅基薄膜太陽電池的窗口層5表面，以及背電極2與吸收層4之間，制備得到微晶硅薄膜太陽電池。圖2是這種薄膜太陽電池表面分布的摻雜ZnO納米線的掃描電鏡照片。從圖2中可知，每根摻雜ZnO納米線的粗細均勻，長度一致，以此保證薄膜太陽電池的性能的穩(wěn)定和可靠。
[0031]本發(fā)明在硅基薄膜太陽電池中組裝鋁或硼摻雜ZnO納米線，減小串聯(lián)電阻，可以解決電阻增高問題。此外，這些納米線既有良好的透明導電性，又有傳導和調(diào)制光波的波導作用，可以被用來傳輸電流以及傳播和有效利用電池表面的入射光。因此，將鋁或硼摻雜ZnO納米線復合組裝到硅基薄膜太陽電池中具有重要意義。
[0032]實施例2
[0033]將實施例1中的微晶硅薄膜太陽電池改為非晶硅薄膜太陽電池，得到摻雜ZnO納米線透明導電陷光結(jié)構(gòu)的非晶硅薄膜太陽電池。
[0034]以上詳細描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種表面分布有摻雜ZnO納米線的娃基薄膜太陽電池,其特征在于，所述娃基薄膜太陽電池包括由下而上依次逐層連接的玻璃襯底、背電極、第一摻雜ZnO納米線層、吸收層、窗口層和第二摻雜ZnO納米線層；所述第一摻雜ZnO納米線層由分布在所述背電極與所述吸收層之間的摻雜ZnO納米線形成，所述第二摻雜ZnO納米線層由分布在所述窗口層表面的摻雜ZnO納米線形成；所述第一摻雜ZnO納米線層的摻雜ZnO納米線和所述第二摻雜ZnO納米線層的摻雜ZnO納米線相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述的玻璃襯底為鋼化玻璃襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述摻雜ZnO納米線的直徑在10-100納米之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述摻雜ZnO納米線的單根長度大于1000納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述摻雜ZnO納米線為鋁或硼摻雜ZnO納米線。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述摻雜ZnO納米線為通過碳熱還原法、溶劑熱法、水熱法或化學氣相沉積法制備的鋁或硼摻雜ZnO納米線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述摻雜ZnO納米線在所述背電極與所述吸收層之間的分布密度為1-10萬根/平方毫米；所述摻雜ZnO納米線在所述窗口層表面的分布密度為1-10萬根/平方毫米。
8.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述背電極為鋁制電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述吸收層為微晶硅薄膜或非晶硅薄膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的硅基薄膜太陽電池，其特征在于，所述窗口層通過離子擴散工藝制得。
【文檔編號】H01L31/0224GK103681888SQ201310723517
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】楊志, 黃達, 李忠麗, 劉一劍, 張亞非 申請人:上海交通大學