[发明专利]一种金属氧化物纳米晶须/Si复合材料及其催化生长方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅基复合材料、纳米技术、太阳能电池领域，具体是一种金属氧化物纳米晶须/Si复合材料及其催化生长方法。

技术背景

在众多类型的太阳能电池中，硅晶太阳能电池占据目前光伏市场90%以上，是技术最成熟的光伏器件。晶硅太阳能电池的理论转化效率值可达31%，实验报道的最高转化效率为24.7%，而工业化生产的成品电池效率更低，单晶约17%，多晶约15%。进一步提高硅晶太阳能电池转换效率和降低生产成本是目前太阳能电池开发应用最重要也是最有效的方向。

晶体硅是一种间接能隙半导体材料，能隙1.12eV，只能有效吸收利用600～1000nm的太阳光子，高于能隙的太阳光子以“热电子”的形式损耗。这就大大降低了晶硅太阳能电池的光电转换效率。此外，电池板的光反射作用也降低了晶硅电池的光吸收效率。为提高太阳能电池的转换效率，需进行表面织构化、表面蚀刻、发射区钝化、分区掺杂、溅射Si₃N₄减反射膜等步骤，这就大大增加了生产成本；而且，经过上述过程后，晶硅太阳能电池的光电转换效率并没有得到根本的改善，从而限制了光伏行业的快速发展。

纳米晶或量子点具有吸收光谱宽、吸收系数高、能拓宽晶硅电池的吸收光谱；此外，纳米晶或量子点具有减缓热载流子冷却和电子驰豫的作用，可以使热载流子在冷却到带边之前，将它们捕获利用。纳米晶或量子点另一功能是量子限域效应：可以产生多重激子，使得量子效率可以超过100%。所以，将纳米晶或量子点运用到晶硅太阳能电池上是提高现有光伏电池光电转换效率的最直接有效的途径。

发明内容

本发明的目的是通过催化化学沉积方法，在晶硅太阳能电池片上快速生长一层厚度约为20-100nm的半导体金属氧化物纳米晶须，大幅提高电池片的光谱吸收效率和光电转换效率。

本发明的技术方案为：

一种金属氧化物纳米晶须/Si复合材料催化生长方法，具体步骤如下：

a)溶液的配置：（1）0.0001mol/L～1mol/L的催化剂溶液，加入1mol/L～6mol/L的氢氟酸；（2）0.05mol/L～6mol/L的氢氟酸/双氧水蚀刻液；（3）0.0001mol/L～5mol/L金属离子的纳米晶须生长母液；

b)电池片的预处理：将已经制好p-n结的晶硅电池片浸渍到催化剂溶液中1～200s，使电池片表面形成金属氧化物晶种；取出后沉浸到蚀刻液中1～200s，进行各向异性腐蚀，取出后沥水，吹干；

c)纳米晶须的生长：将上述电池片快速移入母液中1～100s，进行纳米晶须的生长蚀刻；

d)洗涤处理：用去离子水清洗1～5min，吹干；

e)热处理：将洗涤后的电池片在100℃～400℃热处理1～30min。

所述的催化剂溶液为铜、银、铂或金金属的氯化物、醋酸盐或硝酸盐中的一种。

所述的电池片预处理需在氢氟酸/双氧水的混合酸中进行各向异性腐蚀。

所述的纳米晶须生长母液为铅、锌、镉、铜、锑或铁的醋酸盐、氯化盐或硝酸盐中的一种。

所述的晶硅电池片为单晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅的半成品太阳能电池片。

上述方法制备的金属氧化物纳米晶须/Si复合材料均匀、有序，粒径10～50nm，厚度在20～100nm。

本发明中，生长的纳米晶须不但可以拓展太阳光谱的吸收范围，提高太阳能的利用效率；还能大幅提高硅基太阳能电池片的光电转换效率；而且还具有减反射、钝化晶硅材料的多重作用；可以使晶硅材料表面钝化；并大大减少太阳光在硅晶片上的反射，可以减少电池片表面Si₃N₄减反膜的用量，大大降低生产成本。本发明还有以下优点：

1.本发明所制备的纳米晶须/Si复合材料对太阳光具有较强的吸收作用，可以减少电池表面光反射，而且其所具有的陷光结构能增加高能激子碰撞电离的概率，产生多重激子效应，从而提高硅基太阳能电池的光电性能。

2.本发明的纳米晶须/Si复合材料形貌均匀且稳定性好，能经受住高温。900℃加热后，电池片的光电性能仍然良好。

3.经处理的硅基太阳能电池片的各项性能参数均有明显提高。从图2（实施例1）可知：开路电压/Voc提升37.5%，电流密度/Jsc提升193.2%，填充因子/FF提升9.2%，转换效率提升340.2%；从图3、图4（实施例1）可知：太阳能电池片的吸收和反射性能均有大幅提升。