[发明专利]一种提高掺杂碳薄膜材料光伏效应的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高太阳能电池效率的化学处理方法。

背景技术

太阳能以其清洁、无公害、安全等显著的优势，在当今世界各国积极寻求新的能源，替代石油、煤炭等传统能源趋势之下，日益成为人们关注的焦点。在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。自从1954年贝尔实验室Chapin等人制备出首个pn结型硅太阳能电池以后，人们对太阳能电池的进行了广泛的研究，目前，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为：1.以非晶硅、多晶硅和单晶硅为材料的硅太阳能电池；2.以III-V族化合物半导体如砷化镓、碲化镉等多元化合物为材料的薄膜太阳能电池及其叠层电池；3.以铜铟硒(CIS)为材料生产的薄膜太阳能电池；4.基于二氧化钛、氧化锌纳米晶的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池5.处于研究阶段的有机太阳能电池。

为实现太阳能电池应用的普遍化，当前的研究者在考虑降低太阳能电池成本的同时，也在努力提高当前主流太阳能电池的光电转化效率，理论分析表明，提高太阳能电池中的能量转换一般包括到以下四个基本步骤：(1)增大对光子的吸收；(2)促进激子的产生及分开-空穴电子对的产生；(3)提高空穴与电子在向相对应的收集电极的运动；(4)增加电极部分对空穴和电子的采集。

人们通常采取提高太阳能电池的效率的手段，一是在太阳能电池结构中加入氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钛、氧化锡等氧化物材料作为减反射膜和增加散射膜，目前人们较为常用的有导电透明半导体如氧化锌、氧化铟、铟锡氧化物(即透明导电薄膜)等。二是对基底进行褶皱化处理或将表面制作成金字塔结构，目前也有研究者对基底材料进行纳米线结构及纳米孔结构处理。三是采用在基底材料中热蒸镀加入铝背电场，在异质结材料之间加入氧化层(公开号CN 101807611A)、本征层等手段，提高基底材料中少数载流子的寿命并降低少数载流子的复合，从而提高太阳能电池的效率。

近年来，电解质溶液以其可以对太阳能电池材料进行化学修饰，增加其太阳能电池材料的电导率，促进光生载流子在异质结材料之间的传输，以及电解质溶液本身优异的透光性及电导率等优点，人们开始关注对太阳能电池进行电解质溶液的处理。人们报道了对碳纳米管薄膜/硅异质结太阳能电池进行硝酸等溶液处理，可以大大提高其太阳能电池效率(Nano Lett.2011，11，1901-1905)。研究者通过对碳纳米管薄膜/硅异质结分别进行不同浓度的氯化钠、硫酸、硝酸处理表明：在AM1.5G的光照条件下，0.1摩尔/升的氯化钠溶液处理后的碳纳米管薄膜/硅异质结，其开路电压由0.45伏特降低到0.33伏特，短路电流密度可由25.4毫安/厘米²提高到34.2毫安/厘米²，填充因子由0.22降低到0.19左右，转化效率由2.6％降低到2.1％。利用0.1摩尔/升的硫酸溶液处理的碳纳米管薄膜/硅异质结，其开路电压可由0.48伏特提高到0.5伏特，短路电流密度可由27.4毫安/厘米²提高到31.7毫安/厘米²，填充因子可由原来的0.47提高到0.66，转化效率可由6.2％提高到10.4％。0.5摩尔/升的硝酸溶液处理后的碳纳米管薄膜/硅异质结，其开路电压可由0.48伏特提高到0.53伏特，短路电流密度可由27.4毫安/厘米²提高到36.3毫安/厘米²，填充因子可由0.46提高到0.71，转化效率可由6.2％提高到13.8％。

文献(ACS Nano.2009，3(6)：1407-1414)报道了单壁碳纳米管/硅异质结材料在一个太阳光照条件下转化效率为2.7％，经过亚硫酰氯(SOCl₂)处理之后，其转化效率可以提高到4.5％。文献(Appl.Phys.Lett.2011，99(23)：233505-233507)报道了石墨烯薄膜/硅纳米柱阵列异质结材料，经过硝酸处理后，在100毫瓦/厘米²的光照条件下，其转化效率可由1.96％提高到3.55％。文献(ACS Appl.Mater.Interfaces 2011，3，721-725)报道了石墨烯薄膜/硅纳米线阵列异质结材料，经过SOCl₂处理之后，在100毫瓦/厘米²的光照条件下，其转化效率可由1.84％提高到3.93％。