[发明专利]一种硅纳米结构异质结太阳电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳电池技术领域。

背景技术

随着环境问题日益突出以及能源危机的不断加剧，太阳能光伏发电因其安全可靠、受地域限制因素少、可方便与建筑物相结合等特点而得到快速发展。在众多光伏产品中，硅纳米结构异质结太阳电池因其制备工艺简单，原材料丰富，光电转换效率高而受到广泛关注。目前高性能的硅纳米结构异质结太阳电池转换效率可达15％以上，具有较大的商业应用潜力。为进一步提升其应用价值，拓展应用空间，需要在提高光电转换效率、提高器件稳定性的基础上同时降低制备成本。

传统的硅纳米结构异质结太阳电池由纳米结构晶体硅衬底S、无掺杂空穴传输层H、无掺杂电子传输层E、透明电极T、金属栅线电极M1和背电极M2共同组成。其中无掺杂空穴传输层H和无掺杂电子传输层E分别为p型和n型高掺杂的非晶硅、多晶硅等无机薄膜材料、有机聚合物材料。器件内建电场的构成机制是通过两种不同掺杂类型的材料构成p-n结，实现对光生载流子的分离与输运。但由于掺杂原子的引入会导致晶格有序度的降低，增加了材料的体缺陷密度，从而劣化器件的性能；并且掺杂工艺的引入也将增加器件的制备周期，不利于降低器件的生产成本；此外，由于硅纳米结构表面存在大量的悬挂键缺陷，当光生载流子输运通过异质结界面时，高密度的悬挂键缺陷将会俘获大量载流子，不利于器件性能的提升。

发明内容

本发明的目的就是针对上述存在的问题，通过在硅纳米结构表面生长一层超薄氧化硅钝化表面悬挂键缺陷；通过引入制备方法更为简单且无掺杂、高功函数的过渡金属氧化物作为钙钛矿太阳电池的无掺杂空穴传输层；无掺杂、制备方法简单、低功函数的薄膜材料作为无掺杂电子传输层，共同构建一种具有低成本、高转换效率的新型硅纳米结构异质结太阳电池。

不同于传统硅基太阳电池采用沉积的方式制备钝化层薄膜，本发明所涉及的太阳电池在硅纳米结构阵列表面自生长超薄、宽带隙的氧化硅材料作为钝化层。该种自生长方式制备的钝化层薄膜由于避免了保角沉积的问题，故其均匀性明显优于沉积方式制备的钝化层薄膜；此外，不同于传统硅基电池采用p-n结构筑内建电场的方式，本发明所涉及的太阳电池内部载流子输运的根本动力为硅纳米结构衬底与无掺杂空穴(电子)传输层之间的功函数之差。相比于传统多晶硅、非晶硅材料，本发明所采用的无掺杂空穴(电子)传输层具有更宽的光学带隙，可有效降低器件的寄生吸收，提高入射光的利用率；此外，相较于传统的制备工艺，由于本发明中无掺杂空穴(电子)传输层制备方法可采用蒸发、溅射、溶胶-凝胶等简单的制备方式获得，不需要任何高温工艺，所以器件制备成本和能耗大幅度降低，同时器件稳定性有所提升。

本发明所采用的技术方案具体如下：

硅纳米结构异质结太阳电池，其特征在于，依次由晶体硅纳米结构衬底S、超薄氧化硅钝化层P、无掺杂空穴传输层H、电子传输层E、透明电极T、金属栅线电极M1、背电极M2组成。

其中，所述晶体硅纳米结构衬底S为单晶硅或多晶硅纳米结构衬底，厚度为1-500μm；无掺杂空穴传输层H为氧化钼、氧化镍、氧化钒和氧化钨中的1～4种的组合，厚度为1～50nm，光学带隙宽度为2.5～4.5eV；无掺杂电子传输层E为氟化锂、碳酸铯、氧化镁和氟化镁中的1～4种的组合，厚度为1～50nm；透明电极T为氧化铟锡、氧化锡、氧化锌和氧化钛中的1～4种的组合，厚度为10～200nm；超薄氧化硅钝化层厚度为0.1～10nm；金属栅线电极M1的厚度为0.1～100μm；金属栅线电极M1的材料优选为金、银、铜、铁、铝中的1～5种的组合。

晶体硅纳米结构衬底S的纳米结构为纳米线结构、纳米坑结构、纳米洞结构、纳米锥结构、微米金字塔与纳米线复合结构或微米金字塔与纳米洞复合结构中的一种，其中优选N型(100)晶向的纳米线结构。

所述的硅纳米结构异质结太阳电池的制备方法，具体步骤如下：

1)、清洗晶体硅纳米结构衬底S表面；

2)、在晶体硅纳米结构衬底S正反表面采用紫外臭氧处理法或化学水热法制备超薄氧化硅钝化层P；

3)、选定一面，在超薄氧化硅钝化层P上制备无掺杂空穴传输层H；

4)、在另外一面的超薄氧化硅钝化层P上制备无掺杂电子传输层E；

5)、在无掺杂空穴传输层H上制备透明电极T；

6)、在透明电极T上制备金属栅线电极M1；

7)、在无掺杂电子传输层E上制备背金属电极M2。