[发明专利]硅基核壳纳米线光伏电池及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种N型硅/空穴传输的有机导电聚合物核壳纳米线光伏电池及其制备工艺，属于太阳能转换技术领域。

背景技术

光伏电池能够将太阳光源源不断地转化成电能来解决当前人们面临的能源枯竭和环境污染问题。晶体硅光伏电池的光电转换效率高，占据了整个光伏市场的80%。但目前晶体硅光伏电池成本偏高，阻碍了光伏发电产业的发展。其中，晶体硅光伏电池需要用较多数量（200-300μm厚）和高纯度（>6N级）的晶体硅作为原料，原料成本占整个光伏组件的40%以上，是晶体硅光伏电池成本偏高的一个主要因素。如何在保持晶体硅光伏电池效率的基础上有效地减少原料的使用数量是降低光伏组件成本的一个有效途径。硅纳米线阵列的光伏电池能够实现该途径。已报道的文章（如，“Light trapping in silicon nanowire solar cells”，《Nano Letters》， 2010, 10, p1082–1087）中提及硅纳米线阵列具有卓越的光诱捕性能，几个μm高的硅纳米线阵列即可完全吸收300-1100nm（硅本征吸收的光谱范围）的太阳光子，可有效地减少晶体硅原料的使用数量。同时，这种光伏电池中的光伏结可制作成核壳纳米线结构，光生载流子在硅纳米线径向运动很短的距离即可被光伏结有效分离，从而允许使用低质量的硅原料制备器件，进一步降低硅原料的成本。

获得上述硅纳米线光伏电池的关键是设计和构筑核壳纳米线阵列结构的光伏结。公开号CN101257094的发明专利申请中提及一种采用P型硅纳米线阵列/N型有机半导体混合的异质结光伏电池。在这种光伏电池中提及硅纳米线阵列充当太阳光减反层，器件的光活性层（基区）依然为体相晶体硅，依然需要用高数量、高质量的硅原料来制作器件。

发明内容

本发明的目的在于提出一种核壳纳米线光伏电池及其制备工艺，其成本低廉，光电转换效率高，且易于制备，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种硅基核壳纳米线光伏电池，其特征在于：它包括N型硅衬底，所述N型硅衬底正面形成有硅纳米线阵列作为光活性层，其底面上设有金属背电极，所述硅纳米线阵列上共形覆盖空穴传输的有机导电聚合物形成核壳结构的纳米线异质结作为光伏结，所述异质结上设有ITO顶电极。

优选的，所述空穴传输的有机导电聚合物包括PEDOT:PSS。

所述N型硅纳米线阵列及硅衬底均由纯度为3-6N级的单晶或多晶硅形成，其中，硅纳米线高度为3-5μm，硅衬底厚度为5-200μm。

所述金属背电极包括覆设于N型硅衬底底面上的Al电极层，所述ITO顶电极包括覆设于异质结上的ITO玻璃。 

一种硅基核壳纳米线光伏电池的制备工艺，其特征在于，该工艺为：采用湿法刻蚀在N型硅衬底正面制备出硅纳米线阵列，然后以空穴传输的有机导电聚合物共形覆盖在硅纳米线阵列上，形成核壳纳米线异质结，最后在N型硅衬底底面和异质结上分别组装金属背电极和ITO顶电极，获得目标产品。

进一步的，该工艺具体包括如下步骤：

ⅰ、在N型硅衬底正面采用具有催化活性的金属援助硅化学刻蚀制备硅纳米线阵列；

ⅱ、取空穴传输的有机导电聚合物的溶液填充硅纳米线阵列后，蒸发除去该有机导电聚合物溶液中的溶剂，形成共形覆盖在硅纳米线阵列上的有机导电聚合物薄膜；

ⅲ、在N型硅衬底底面和异质结上分别组装金属背电极和ITO顶电极，获得目标产品。

步骤i具体为：首先在N型硅衬底正面无电镀淀积形成不连续的银薄膜，而后借助银薄膜的催化作用，在N型硅衬底正面湿法刻蚀形成硅纳米线阵列，最后除去银薄膜。

所述空穴传输的有机导电聚合物包括PEDOT:PSS，所述金属背电极包括淀积于N型硅衬底底面上的Al电极层。

在异质结阵列上组装ITO顶电极的过程为：

取ITO玻璃的导电面上涂覆空穴传输的有机导电聚合物溶液，并将其置于异质结表面，而后蒸发除去该有机导电聚合物溶液中的溶剂，使ITO玻璃的导电面与异质结固定连接。

所述空穴传输的有机导电聚合物溶液包括体积比为1：3-1：1的极性有机溶剂和商用PEDOT:PSS水溶液，所述极性有机溶剂至少选自乙醇、丙酮和异丙醇中的任意一种。