[发明专利]一种金属硫化物纳米晶敏化晶硅电池片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电半导体材料及太阳能电池领域，具体说是一种金属硫化物纳米晶敏化晶硅电池片及其制备方法。

技术背景

在传统化石能源日益匮乏的背景下，太阳能将成为未来重要的能源来源。传统晶硅电池是目前转换效率最高，技术最为成熟的光伏器件，在光伏产业中占据主导地位，占目前世界光伏市场的90%以上。晶硅太阳能电池尽管有较高的光电转换效率，但离理论值有一定的差距，仍具有很大的发展空间。因此,进一步提高晶硅电池的光电转换效率、降低生产成本一直是此行业努力的目标。

制约晶硅电池光电转换效率的主要原因是晶硅材料的太阳光吸收效率不高。晶体硅的能隙为1.12eV，高于能隙的太阳光子吸收后产生热电子与空穴，通过随后的声子发射，这些热载流子在它们的能量被捕获之前迅速冷却，导致大量的太阳光能以“热电子”的形式损耗，限制了器件效率。另外，电池板具有一定的光反射作用，也造成部分太阳光能的损失。为了提高光伏器件的光电转换效率，减少光反射损失，电池制造商对电池板采用表面织构化、表面蚀刻、发射区钝化、分区掺杂等技术进行处理；虽然电池片的光吸收范围有所拓展，但对太阳光能的吸收和转换效率并没有明显提高；在晶硅材料上溅射SiN减反射涂层也大大增加生产成本。

半导体纳米晶或量子点(QDs)具有吸收光谱宽、吸收系数高的特性，因而能够作为优良的光吸收剂。因为量子点的量子限域效应，其价带和导带由准连续变成离散，电子能级之间的能量间距比晶格的最高声子频率大得多，热载流子驰豫只能通过减慢多声子发射而产生一个声子“瓶颈”。所以，半导体纳米晶或量子点具有减缓热载流子冷却速率和电子驰豫的作用，可使热载流子在冷却到带边之前，将它们捕获利用。如果热载流子的全部能量能够被捕获，则太阳-电能的转换效率理论上可以达到66%以上。

上述结果启示我们，如果将现有晶硅材料与半导体纳米晶或量子点结合，形成QDs/Si异质结构，将是提高现有硅电池光电转换效率的简便渐变而有效地方法。因为：(1)很多无机量子点吸收光谱宽、吸收系数高，并且具有很高的光热稳定性；(2)有些无机量子点的最低激发态电子的能量位于晶体硅的最低导带之下，量子点中光生热载流子可以产生多重激子；(3)量子点与晶硅材料界面形成异质结构，有利于载流子的分离并向晶硅基质转移；(4)晶硅材料内存在因p-n结而产生的势垒电场，更有利于深度扩散进入的光生载流子的分离。

发明内容

本发明的目的在于利用纳米晶/量子点吸收光谱宽、吸收系数高的特性，制备对太阳光的吸收效率和热载流子的分离与捕获效率高的金属硫化物纳米晶敏化晶硅电池片，以提高晶硅太阳能电池的光电转化效率。

为此，本发明的具体方案是：

一种金属硫化物纳米晶敏化晶硅电池片，包括晶硅电池片和原位生长在晶硅电池表面的致密的金属硫化物纳米晶层，金属硫化物纳米晶敏化层与硅基电池片形成QDs/Si异质结构，硅基电池片为单晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅太阳能电池片。

上述金属硫化物纳米晶敏化晶硅电池片的制备方法为将经过预处理的硅片在金属盐溶液和硫源溶液中交替浸渍，在晶硅电池片表面原位生长一层均匀致密的金属硫化物纳米晶，具体包括以下步骤：

（1）纳米晶在晶硅电池片表面的直接生长：配置0.01~0.1mol/L金属源溶液和0.005~0.1mol/L硫源溶液；将经预处理的晶硅电池片投入金属源超声浸渍2~5min，取出后经60℃~100℃烘干或用吹风机吹干，再浸入硫源，30s~3min后取出，经100~200℃真空热处理2-5min，此为一个制备周期，如此循环2~5个周期；

（2）清洗处理：将经过上述处理后的晶硅电池片投入二次蒸馏水，超声清洗5~10min，以清除与晶硅电池片结合不牢固的金属硫化物颗粒及表面杂质，烘干。

所述晶硅电池片经预处理表面活化，步骤为：将28%氨水、30%过氧化氢、二次蒸馏水按体积比1:1:4混合加热，将晶硅电池片浸入混合液超声清洗2-10min，再将处理后的晶硅电池片浸入20%~30%氢氟酸（氢氟酸用蒸馏水或无水乙醇稀释）超声腐蚀2-5min。

所述金属源为过渡金属铅、锡、锌、铜、银、锑、铁、钴或镍的硝酸盐、醋酸盐、硫酸盐或氯化盐；具体包括醋酸铅、硝酸铅、氯化锡、醋酸锌、硫酸铜、醋酸铜、硝酸铜、氯化铜、硝酸银、硫酸铁、氯化铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、氯化锑、硫酸钴、氯化钴、硫酸镍和氯化镍。

所述硫源包括硫化钠、硫代乙酰胺和硫脲。