一种平面硅基有机/无机杂化太阳电池结构论文和设计-肖慧萍

全文摘要

本实用新型一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构从背面至正面依次由金属背电极、P型平面晶体硅、渐变折射率叠层减反射膜和正面金属栅线电极构成；渐变折射率叠层减反射膜中每层减反射膜为石墨烯量子点均匀分散于交联的电子传输性共轭聚合物SN中。本实用新型将可溶液加工叠层减反射膜技术与平面硅基有机\/无机杂化太阳电池技术相结合，采用渐变折射率叠层减反射膜作为N型有机层与P型平面硅基底之间形成异质结，能为电池提供良好的电学结构，有利于器件载流子的抽取和输运，又能作为电池减反射层，实现折射率渐变，优化了器件对入射光的吸收和利用，从而形成优良光生伏特效应，电池结构简单，发电效率高，易于应用。

主设计要求

1.一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，其特征在于：所述的太阳电池结构从背面至正面依次由金属背电极（1）、P型平面晶体硅（2）、第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）、第3层减反射膜（5）和正面金属栅线电极（6）构成；第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）均由石墨烯量子点GQDs（7）均匀分散于交联的电子传输性共轭聚合物SN（8）中形成三维网状薄膜结构；第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）构成的渐变折射率叠层减反射膜作为N型有机层与P型平面晶体硅（2）之间形成异质结，其总厚度控制为50~200nm。

设计方案

1.一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，其特征在于：所述的太阳电池结构从背面至正面依次由金属背电极（1）、P型平面晶体硅（2）、第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）、第3层减反射膜（5）和正面金属栅线电极（6）构成；第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）均由石墨烯量子点GQDs（7）均匀分散于交联的电子传输性共轭聚合物SN（8）中形成三维网状薄膜结构；

第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）构成的渐变折射率叠层减反射膜作为N型有机层与P型平面晶体硅（2）之间形成异质结，其总厚度控制为50~200 nm。

2.根据权利要求1所述的一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，其特征在于：所述的石墨烯量子点GQDs（7）平均粒径为2~15 nm。

3.根据权利要求1所述的一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，其特征在于：所述的P型平面晶体硅（2）为P型平面单晶硅或多晶硅。

4.根据权利要求1所述的一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，其特征在于：所述的正面金属栅线电极（6）和金属背电极（1）的厚度均为100~500 nm，材质均为银、铝、铜、镍中的一种或多种金属的合金。

5.根据权利要求1所述的一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，其特征在于：所述的渐变折射率叠层减反射膜的总折射率为1.8~2.4，每层减反射膜的折射率满足：n<\/i>_{Si<\/sub>>n<\/i>1<\/sub>><\/i>n<\/i>2<\/sub>>n<\/i>3<\/sub>>n<\/i>0<\/sub>，其中，nSi<\/sub>、n<\/i>1<\/sub>、n<\/i>2<\/sub>、n<\/i>3<\/sub>和n<\/i>0<\/sub>分别为P型平面晶体硅、第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）、第3层减反射膜（5）和空气的折射率。}

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，具体属于太阳电池技术领域。

背景技术

近年来，由于新能源技术的开发和应用，晶体硅太阳电池结构得到了广泛应用。其中，硅基有机\/无机杂化太阳电池因兼具有机和无机材料的特性，能实现太阳电池的高效低耗而备受关注，并在过去几年中取得了快速的发展。由于各种性能优异的有机物纷纷出现以及不断改进的电池结构，这种杂化太阳电池已经初步实现了低成本高效率。为增加光的吸收、降低光的损失，目前该领域采用的电池结构通常是由有机层与纳米织构硅片构成。而平面硅和有机物构成的杂化太阳能电池结构虽然制备简单，但是平面硅较高的反射率使得电池的电流远远低于单晶硅太阳能电池。目前，为提高有机物\/平面硅基结构的有机\/无机杂化太阳电池的光电转换效率，通常的做法是利用含氟的表面活性剂、三氧化钼等对有机层材料进行掺杂改性，以降低有机层的串联电阻，提高与硅形成的异质结的载流子收集效率。但有机层的折射率都比较低（1.3~1.7），与硅基底的折射率（=3.8）并不匹配，仍然存在较大的折射率差异，这导致目前有机物\/平面硅基结构的杂化太阳电池减反射效果不佳，对入射光的吸收和利用率低，致使电池的光电转换效率难以有效提高。且目前溶液加工的有机层由于溶剂互溶问题，不能制成叠层膜结构，因此，这些电池结构中的有机层均为单层薄膜结构，因此，无法实现渐变折射率，无法有效消除光反射。虽然目前基于平面硅的有机\/无机杂化太阳能电池的研究开发了许多有机物和电池结构进行性能改进，但这些工作没有涉及到具有渐变折射率叠层减反射膜的平面硅基有机\/无机杂化太阳电池的制备及相关信息。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，将溶液加工的渐变折射率叠层减反射膜技术应用到平面硅基有机\/无机杂化太阳电池中，渐变折射率叠层减反射膜兼具电子抽取与传输和宽光谱减反射协同功能，既能作为杂化电池的N型层为电池提供良好的电学结构（有利于器件载流子的抽取和输运），又能作为电池的减反射层，优化器件对入射光的吸收和利用，使电池具有更优的光电转换效率，以解决目前硅基有机\/无机杂化太阳电池的有机层的折射率无法与硅相匹配，而且因溶剂互溶不能实现渐变折射率，导致有机层减反射效果不佳，使电池对入射光的吸收和利用率低，致使光电转换效率难以有效提高的问题。

为达到上述目的，本实用新型一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构从背面至正面依次由金属背电极（1）、P型平面晶体硅（2）、第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）、第3层减反射膜（5）和正面金属栅线电极（6）构成；第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）均由石墨烯量子点GQDs（7）均匀分散于交联的电子传输性共轭聚合物SN（8）中形成三维网状薄膜结构；

第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）构成的渐变折射率叠层减反射膜作为N型有机层与P型平面晶体硅（2）之间形成异质结，其总厚度控制为50~200nm。

所述的石墨烯量子点GQDs（7）平均粒径为2~15 nm。

所述的P型平面晶体硅（2）为P型平面单晶硅或多晶硅。

所述的正面金属栅线电极（6）和金属背电极（1）的厚度均为100~500 nm，材质均为银、铝、铜、镍中的一种或多种金属的合金。

所述的渐变折射率叠层减反射膜的总折射率为1.8~2.4，每层减反射膜的折射率满足：n<\/i>_{Si<\/sub>>n<\/i>1<\/sub>>n<\/i>2<\/sub>>n<\/i>3<\/sub>>n<\/i>0<\/sub>，其中，nSi<\/sub>、n<\/i>1<\/sub>、n<\/i>2<\/sub>、n<\/i>3<\/sub>和n<\/i>0<\/sub>分别为P型平面晶体硅、第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）、第3层减反射膜（5）和空气的折射率。}

渐变折射率叠层减反射膜可实现有效减反射；正面金属栅线电极用于收集电子，金属背电极用于收集空穴。

本实用新型的有益效果：

与现行平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构相比，本实用新型将可溶液加工的叠层减反射膜技术与平面硅基有机\/无机杂化太阳电池技术相结合，形成一种具有渐变折射率叠层减反射膜的平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构。该新型电池采用渐变折射率叠层减反射膜作为N型有机层与P型平面晶体硅之间形成异质结，既能为电池提供良好的电学结构，有利于器件载流子的抽取和输运，又能作为电池的减反射层，实现折射率渐变，优化器件对入射光的吸收和利用，从而形成优良的光生伏特效应，使电池具有更优的发电能力。解决了目前硅基有机\/无机杂化太阳电池减反射效果不佳，使电池对入射光的吸收和利用率低，致使光电转换效率难以有效提高的问题。

本实用新型的制作方法，先在P型平面单晶（或多晶）硅片上修饰一层单分子甲基层，再将可交联电子传输性聚合物与石墨烯量子点的复合物溶液旋涂在甲基修饰的P型平面单晶（或多晶）硅表面上，经紫外光\/热处理后形成第1层减反射膜；改变复合物溶液中可交联电子传输性聚合物与石墨烯量子点的配比，再重复两次上述操作，分别制备第2、3层减反射膜，第1、2、3层减反射膜共同形成叠层减反射膜；然后制作正面金属栅线电极和金属背电极。该操作过程简单易于实现，制得的电池性能良好。

附图说明

图1为本实用新型平面硅基有机\/无机杂化太阳电池的结构示意图;

图中：1、金属背电极；2、P型平面晶体硅；3、第1层减反射膜；4、第2层减反射膜；5、第3层减反射膜；6、正面金属栅线电极；7、石墨烯量子点GQDs；8、交联的电子传输性共轭聚合物SN。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实用新型提供的一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池结构，从背面至正面依次为：金属背电极（1）、P型平面晶体硅（2）、第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）、第3层减反射膜（5）和正面金属栅线电极（6）；第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）共同形成渐变折射率叠层减反射膜；该渐变折射率叠层减反射膜中每层减反射膜由石墨烯量子点GQDs（7）均匀分散于交联的电子传输性共轭聚合物SN（8）中，形成三维网状薄膜结构；

由第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）共同形成的渐变折射率叠层减反射膜作为N型有机层与P型平面晶体硅之间形成异质结，其总厚度为85 nm；

正面金属栅线电极（6）用于收集电子, 金属背电极（1）用于收集空穴。

平面硅基有机\/无机杂化太阳电池的具体制作方法：在P型平面单晶（或多晶）硅片上修饰一层单分子甲基层；然后将可交联电子传输型聚合物与石墨烯量子点的复合物溶液旋涂在甲基修饰的P型平面单晶（或多晶）硅表面上，经紫外光\/热处理后形成第1层减反射膜（3）；之后，改变复合物溶液中可交联电子传输性聚合物与石墨烯量子点的配比，再重复两次上述操作，分别形成第2层减反射膜（4）和第3减反射膜（5），第1层减反射膜（3）、第2层减反射膜（4）和第3层减反射膜（5）共同形成叠层减反射膜；然后制作正面和背面电极。制成可进行光电转换的平面硅基有机\/无机杂化太阳电池。

实施例2

一种平面硅基有机\/无机杂化太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

（1）P型平面抛光单晶硅片的前处理：将P型单面抛光单晶硅片先后浸没至无水丙酮、无水乙醇和去离子水中超声震荡清洗各20分钟，然后将硅片取出，并用去离子水冲净，接着将硅片浸没至浓硫酸∶双氧水（体积比3∶1）中，且加热至110 ℃并保持一小时左右，去离子水冲洗，最后用高纯氮气将硅片吹干，存放至干净的培养皿中待用；然后将硅片浸没至20 M的氢氟酸中以去除平面硅表面的氧化硅薄层，然后用去离子水冲洗并用氮气吹干得到表面具有硅-氢键的平面硅；迅速将处理好的平面硅转移至手套箱中，并浸没于饱和的五氯化磷的氯苯溶液中，温度保持在120℃下反应2小时，接着用60℃的氯苯和四氢呋喃各清洗两次，得到表面氯化的平面硅。将该平面硅浸没至1 M的甲基氯化镁的四氢呋喃溶液中，并保持温度在80℃下，加热反应持续8小时；反应结束后分别用60℃的四氢呋喃冲洗，移出手套箱；其后将平面硅浸没至稀盐酸中10分钟以便清洗甲基氯化镁残余，然后用去离子水分别冲洗，然后再用氮气吹干，得到甲基修饰的P型平面单晶硅，存放于干净的培养皿中待用。

（2）第1层减反射膜的制备：在氮气氛围的手套箱中，将0.5 g聚合物SN和0.15 gGQDs（平均粒径大小为5 nm）溶解于1 mL N,N<\/i>-二甲基甲酰胺中，形成SN∶GQDs复合物溶液C，并在此溶液中加入0.005 g光酸[2-(4-甲氧基苯乙烯基)-4,6-双(三氯甲基)-1,3,5-三嗪]。将该复合物溶液用匀胶机旋涂在甲基修饰的P型平面单晶硅表面上，成膜后在波长为365 nm的紫外灯照射1分钟、于120℃加热板上对器件进行热处理15分钟。形成聚合物交联、GQDs均匀分散其间、三维网状结构的SN∶GQDs复合物薄膜。该层薄膜折射率为2.35，厚度为10 nm。

（3）第2层减反射膜的制备：改变复合溶液中SN与GQDs的配比，将1.0 g聚合物SN和0.15 g GQDs（平均粒径大小为5 nm）溶解于1 mL N,N<\/i>-二甲基甲酰胺中，形成SN∶GQDs复合物溶液D，并在此溶液中加入0.01 g光酸[2-(4-甲氧基苯乙烯基)-4,6-双(三氯甲基)-1,3,5-三嗪]，再重复一次步骤（2）的成膜操作。该层薄膜的折射率为2.15，厚度为25 nm。

（4）第3层减反射膜的制备：改变复合溶液中SN与GQDs的配比，将1.5 g聚合物SN和0.1 g GQDs（平均粒径大小为5 nm）溶解于1 mL N,N<\/i>-二甲基甲酰胺中，形成SN∶GQDs复合物溶液，并在此溶液中加入0.015 g光酸[2-(4-甲氧基苯乙烯基)-4,6-双(三氯甲基)-1,3,5-三嗪]，再重复一次步骤（2）的成膜操作，该层薄膜的折射率为2.0，厚度为50 nm。

最终在甲基修饰的P型平面单晶硅表面形成渐变折射率的叠层薄膜。叠层薄膜作为“有机层”与甲基修饰的P型平面单晶硅构成有机\/无机异质结。

（5）利用热蒸发仪在SN∶GQDs叠层薄膜上掩膜蒸镀300 nm厚度的银栅极作为电池的正电极，在硅片的背面蒸镀200 nm厚的铝电极作为电池的背电极。

本实用新型创造性地将可溶液加工的叠层减反射膜技术与平面硅基有机\/无机杂化太阳电池技术相结合，形成一种具有渐变折射率叠层减反射膜的平面硅基有机\/无机杂化太阳电池。该新型电池可以使有机\/无机杂化太阳电池的有机层实现折射率渐变，从而使基于平面硅的有机\/无机杂化太阳电池实现有效减反射，优化器件对入射光的吸收和利用，形成优良的光生伏特效应，可显著提升平面硅基有机\/无机杂化太阳电池的光电转换效率。

以上，仅为本实用新型的较佳实施例，并非仅限于本实用新型的实施范围，凡依本实用新型专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本实用新型的技术范畴。

设计图