一種提高摻雜碳薄膜材料光伏效應的方法
2023-05-08 15:20:51 1
專利名稱：一種提高摻雜碳薄膜材料光伏效應的方法
技術領域：
本發明涉及一種提高太陽能電池效率的化學處理方法。
背景技術：
太陽能以其清潔、無公害、安全等顯著的優勢，在當今世界各國積極尋求新的能源，替代石油、煤炭等傳統能源趨勢之下，日益成為人們關注的焦點。在太陽能的有效利用中，光伏發電是近些年來發展最快、最具活力的研究領域。自從1954年貝爾實驗室Chapin等人製備出首個pn結型矽太陽能電池以後，人們對太陽能電池的進行了廣泛的研究，目前，根據所用材料的不同，太陽能電池可分為:1.以非晶矽、多晶矽和單晶矽為材料的矽太陽能電池；2.以II1-V族化合物半導體如砷化鎵、碲化鎘等多元化合物為材料的薄膜太陽能電池及其疊層電池；3.以銅銦硒(CIS)為材料生產的薄膜太陽能電池；4.基於二氧化鈦、氧化鋅納米晶的染料敏化納米晶薄膜太陽能電池5.處於研究階段的有機太陽能電池。為實現太陽能電池應用的普遍化，當前的研究者在考慮降低太陽能電池成本的同時，也在努力提高當前主流太陽能電池的光電轉化效率，理論分析表明，提高太陽能電池中的能量轉換一般包括到以下四個基本步驟:(I)增大對光子的吸收；(2)促進激子的產生及分開-空穴電子對的產生；(3)提高空穴與電子在向相對應的收集電極的運動；(4)增加電極部分對空穴和電子的採集。人們通常採取提高太陽能電池的效率的手段，一是在太陽能電池結構中加入氧化矽、氧化鋁、氮化矽、氧化鈦、氧化錫等氧化物材料作為減反射膜和增加散射膜，目前人們較為常用的有導電透明半導體如氧化鋅、氧化銦、銦錫氧化物(即透明導電薄膜)等。二是對基底進行褶皺化處理或將表面製作成金字塔結構，目前也有研究者對基底材料進行納米線結構及納米孔結構處理。三是採用 在基底材料中熱蒸鍍加入鋁背電場，在異質結材料之間加入氧化層(公開號CN 101807611A)、本徵層等手段，提高基底材料中少數載流子的壽命並降低少數載流子的複合，從而提高太陽能電池的效率。近年來，電解質溶液以其可以對太陽能電池材料進行化學修飾，增加其太陽能電池材料的電導率，促進光生載流子在異質結材料之間的傳輸，以及電解質溶液本身優異的透光性及電導率等優點，人們開始關注對太陽能電池進行電解質溶液的處理。人們報導了對碳納米管薄膜/矽異質結太陽能電池進行硝酸等溶液處理，可以大大提高其太陽能電池效率(Nano Lett.2011，11，1901-1905)。研究者通過對碳納米管薄膜/矽異質結分別進行不同濃度的氯化鈉、硫酸、硝酸處理表明:在AM1.5G的光照條件下，0.1摩爾/升的氯化鈉溶液處理後的碳納米管薄膜/矽異質結，其開路電壓由0.45伏特降低到0.33伏特，短路電流密度可由25.4毫安/釐米2提高到34.2毫安/釐米2，填充因子由0.22降低到0.19左右，轉化效率由2.6%降低到2.1%。利用0.1摩爾/升的硫酸溶液處理的碳納米管薄膜/矽異質結，其開路電壓可由0.48伏特提高到0.5伏特，短路電流密度可由27.4毫安/釐米2提高到31.7毫安/釐米2，填充因子可由原來的0.47提高到0.66，轉化效率可由6.2%提高到10.4%。0.5摩爾/升的硝酸溶液處理後的碳納米管薄膜/矽異質結，其開路電壓可由0.48伏特提高到0.53伏特，短路電流密度可由27.4毫安/釐米2提高到36.3毫安/釐米2，填充因子可由0.46提高到0.71，轉化效率可由6.2%提高到13.8%。文獻(ACS Nan0.2009,3(6):1407-1414)報導了單壁碳納米管/矽異質結材料在一個太陽光照條件下轉化效率為2.7%，經過亞硫醯氯(SOCl2)處理之後，其轉化效率可以提高到 4.5%。文獻(Appl.Phys.Lett.2011,99(23) =233505-233507)報導了石墨烯薄膜/矽納米柱陣列異質結材料，經過硝酸處理後，在100毫瓦/釐米2的光照條件下，其轉化效率可由 1.96%提高到 3.55%。文獻(ACS Appl.Mater.1nterfaces 2011，3，721-725)報導了石墨烯薄膜/矽納米線陣列異質結材料，經過SOCl2處理之後，在100毫瓦/釐米2的光照條件下，其轉化效率可由1.84%提高到3.93%。但是，目前對太陽能電池進行溶液處理多採用硝酸、SOCl2等化學溶劑，處理工藝複雜，溶液對人體危害程度較高，利用過氧化氫處理卻鮮有報導。依據專利(公開號CN101807611A)要求，我們對製備的太陽能電池進行了過氧化氫處理，發現過氧化氫處理可進一步提高其轉化效率。另外，過氧化氫價格便宜，易於儲存，而且利用過氧化氫對太陽能電池材料進行處理，處理工藝簡單易行，反應產物對人體無毒害，因此在提高太陽能電池效率方面有很好的應用價值和應用前景。
發明內容
本發明的目的是提供一種提高摻雜碳薄膜材料光伏效應的方法，用於提高太陽能電池的轉化效率。本發明的目的是這樣實現的，它是一種以厚度為0.5 1.0毫米的單晶矽片為襯底，用磁控濺射的方法將摻雜原子數含量為O 5%鈀的石墨複合靶濺射到拋光的矽基片表面上，形成厚度為20 200納米的薄膜，製成鈀摻雜碳薄膜/矽異質結材料，或者鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽(SIS)結構。該材料具有光伏效應，可用於製造太陽能電池和光敏傳感器件。該碳薄膜/矽異質結材料及碳薄膜/ 二氧化矽/矽(SIS)結構材料的製備方法是通過以下步驟實施: (I)將純度為99.9%的石墨粉和一定量的純度為99.9%鈀粉混合、冷壓獲得含有O 5% (原子數含量)的鈀元素的鈀-石墨複合靶。(2)先用摩爾濃度為20%的氫氟酸溶液浸泡實驗所需的厚度為0.5 1.0毫米的矽基片5分鐘，然後依次用去離子水、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗矽基片5分鐘，或者不用氫氟酸溶液浸泡(保留矽片的自然氧化層)，只用去離子水、丙酮、乙醇在超聲波中各清洗矽基片5分鐘。(3)將清洗好的矽基片放入濺射室，開啟抽真空系統進行抽真空。(4)當背景真空為2 X10-4帕時，通入氬氣，並維持3帕的壓強，待氣壓穩定後，開始用摻鈀的石墨複合靶濺射，濺射功率為48瓦(濺射直流電壓:0.40千伏，濺射直流電流:
0.12安培)，濺射時間為5至120分鐘，濺射溫度為室溫至600°C。(5)濺射完畢後，停止通氬氣，抽真空系統繼續工作，使樣品在真空度較高的環境下自然冷卻，待樣品溫度降至室溫，取出樣品。(6)這樣製備的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料，或者鈀摻雜碳薄膜/矽異質結材料的薄膜厚度為20 200納米，具有光生伏特效應，即鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料的半導體-氧化物-半導體結構在太陽模擬器20毫瓦/釐米2的光照條件下，測得了開路電壓為0.31伏特，短路電流密度為6.02毫安/釐米2，轉換效率為5.5%，填充因子為
0.59。(7)將所製備的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料浸泡在濃度為30 %的過氧化氫溶液中I 15分鐘，然後取出，在20毫瓦/釐米2的光照條件下，測得了開路電壓為0.39伏特，短路電流密度為8.64毫安/釐米2，轉換效率為7.6 %，填充因子為0.46。由上述過程所獲得的過氧化氫處理鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料光電轉化性能變化明顯，即過氧化氫處理後的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料在20毫瓦/釐米2的光照條件下其開路電壓可由原來的0.31伏特提高到0.39伏特，短路電流密度可由6.02毫安/釐米2提高到8.64毫安/釐米2，轉化效率可由5.5%提高到7.6%。本發明所提供的對鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料太陽能電池進行過氧化氫處理的方法，成本低廉，簡單易行，反應產物對人體無毒害，在對太陽能電池材料進行處理，提高太陽能電池效率方面有很好的應用價值。
圖1為依據本發明所提供的過氧化氫處理鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料(SIS結構)光伏電池的結構示意圖。圖2為在室溫下，依據本發明所製造的鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料太陽能電池，經過I 15分鐘濃度為30%的過氧化氫處理之後，在20毫瓦/釐米2光照條件下，電流密度-電壓特性測試結果示意圖(圖中有未經過氧化氫處理情況下的電流密度-電壓特性結 果)。
權利要求
1.一種提高摻雜碳薄膜材料光伏效應的方法，用於提高太陽能電池的轉化效率。其特徵是，利用濃度為的30%過氧化氫浸泡鈀摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料(半導體-氧化物-半導體結構)，浸泡時長為I 15分鐘，在20毫瓦/釐米2的光照條件下，過氧化氫處理後的異質結材料開路電壓、短路電流密度及其轉化效率均得到提高。
2.依據權利要求1所述的一種提高摻雜碳薄膜材料光伏效應的方法，用於提高太陽能電池的轉化效率，其特徵是，能夠提高不同元素摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料(半導體-氧化物-半導體結構)在光照條件下的開路電壓、短路電流密度及其轉化效率。
3.依據權利要求1或2所述的一種提高摻雜碳薄膜材料光伏效應的方法，用於提高太陽能電池的轉化效率，其特徵是利用該處理方法，其元素摻雜碳薄膜/ 二氧化矽/矽材料(半導體-氧化物-半導體結構)太陽能電池的氧化層可以是二氧化矽、氧化鋁、氧化鋅、氧化銅等氧化 物。
全文摘要
本發明提供了一種具有光電導效應的鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導體材料，是將摻雜原子數含量為0～5％鈀的石墨複合靶濺射到厚度為0.5～1.0毫米的帶有氧化物的半導體襯底上，形成一層厚度為20～200納米的薄膜，製成鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導體材料。該鈀摻雜碳薄膜/氧化物/半導體材料具有光電導效應，而且光電流與光照輻射強度具有很好的線性關係，可以用於製備光電傳感器件，在室溫下工作，結構簡單，成本低，生產工藝簡單，成品率高，具有廣闊的應用前景。
文檔編號H01L31/18GK103247710SQ201210030220
公開日2013年8月14日 申請日期2012年2月13日 優先權日2012年2月13日
發明者王盛, 薛慶忠, 杜永剛, 夏富軍 申請人:中國石油大學(華東)