[发明专利]一种纳米硅基石墨烯太阳能电池的制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米硅基石墨烯太阳能电池的制备方法，包括硅片预处理、硅纳米线阵列引入、硅纳米线的表面钝化处理、对硅纳米线表面进行量子点修饰、石墨烯或碳纳米管的填充、窗口周围导电层引入、片层石墨烯转移、电极接入等八个步骤。本发明采用石墨烯量子点修饰的纳米硅为基底，目的在于大大增强太阳光利用范围，同时在硅纳米线之间填充高导电的掺杂石墨烯碎片或碳纳米管，有利于提高光生电子‑空穴对的有效分离，实现新型高效纳米硅基石墨烯太阳能电池的制备。

技术领域

本发明涉及一种纳米硅基石墨烯太阳能电池的制备方法，属于太阳能电池领域。

背景技术

近年来，太阳能因其储量无穷、不受地域限制、清洁无污染等优点而备受世界各国关注。石墨烯、纳米黑硅材料在第三代太阳能电池领域均表现出广阔的应用前景。在过去的数年中，石墨烯被广泛的应用于作为有机太阳能电池和染料敏化太阳能电池的透明导电电极，还被与半导体结合形成肖特基结光伏器件；而基于硅纳米结构的多种太阳能电池也得到了广泛的研究并取得了长足的进步。基于石墨烯/硅纳米结构的肖特基结光伏器件能够充分的结合石墨烯和硅纳米结构在光伏能量转换方面的优势，并且能够大幅地降低器件成本，因此有望成为新一代太阳能电池中的佼佼者。目前，基于石墨烯/硅纳米结构的肖特基结光伏器件已有报道，但是相比于其他基于硅纳米结构的光伏器件，该类型光伏器件的能量转换效率仍然偏低。

总体来说，限制石墨烯/硅纳米结构光伏器件性能提升的因素主要包括以下三个方面：（1）纳米硅表面存在的大量悬挂键和缺陷导致其表面载流子复合速率较高，从而大大降低光伏器件的光生电流；（2）石墨烯和硅之间的较低的肖特基势垒（0.6～0.7eV），这远远低于传统硅p-n结光伏器件的1.12eV；较低的肖特基势垒会引起较大的泄露电流，因而会导致器件性能的降低；（3）在石墨烯/硅纳米线阵列结构中，石墨烯与硅的有效结区面积较小，这不利于光生电子-空穴对的充分分离，不利于构建高性能光伏器件。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种纳米硅基石墨烯太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

（1）硅片预处理：将洗净的硅片四周进行胶封，留出待处理窗口，然后置于1~40wt%的HF酸溶液中浸泡1~60min去除窗口表面的氧化层；

（2）硅纳米线阵列引入：采用金属纳米颗粒辅助刻蚀法，在窗口表面引入具有亚波长结构的硅纳米线阵列（制备过程参考专利申请CN201410614911.3 “一种亚波长硅纳米线阵列的制备方法”），引入的硅纳米线长度为0.1～20μm，硅纳米线的直径为10～500nm，硅纳米线之间的间距为50～1000nm；

（3）硅纳米线的表面钝化处理：采用表面化学钝化或场钝化两种手段对硅纳米线阵列进行钝化，以降低其表面光生载留子的复合几率；化学钝化的钝化剂包括碘酒、溴酒、甲基基团等，场钝化的钝化剂包括Al₂O₃、TiO₂、SiN_x、SiO₂、a-Si:H等，钝化层厚度为5~200nm；

（4）对硅纳米线表面进行量子点修饰：采用化学沉积法在硅纳米线表面形成金属量子点修饰，选取的体系为金属盐/HF酸溶液，HF酸浓度为0.1～40wt%，金属盐包括：AgNO₃、KAuCl₄、HAuCl₄、K₂PtCl₆、H₂PtCl₆、PdCl₂等，金属盐/HF酸溶液浓度为1μmol/L～10mol/L，沉积时间1～600s，金属量子点的直径为1~50nm；或采用旋涂法在硅纳米线表面形成石墨烯量子点修饰，将石墨烯量子点分散于有机溶剂中，滴到硅纳米线，在500~4000r/min的高速旋转中实现对硅纳米线表面的修饰，选取的有机溶液主要为易挥发的有机溶剂，如乙醇、乙腈等，石墨烯量子点直径为1~50nm，修饰完后在50~100℃烘烤0.1~5h；