[发明专利]纳米晶/量子点敏化硅基电池片及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电材料及太阳能电池领域，尤其涉及一种纳米晶/量子点敏化硅基电池片及其制备方法。

背景技术

太阳能将成为未来重要的能源来源。到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。单晶硅太阳能电池称为第一代光伏器件，最高理论转换效率约31-33%，实验室最高转换效率为25%左右。市场上大量生产的单晶硅太阳电池平均效率在15%左右，是目前转换效率最高，技术最为成熟的光伏器件。在大规模应用和工业生产中占据主导地位，占据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，但离理论值仍有一定的差距，具有很大的发展空间。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，电池板具有一定的反射作用，也损失部分太阳光能。

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，提高光伏器件的光电转换效率，减少光反射损失，虽然电池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。此外，在晶硅材料上蒸镀SiN减反射钝化涂层也大大增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种太阳光的吸收效率高、反射损失小、光电流密度高、光电转化效率高、生产成本低的纳米晶/量子点敏化硅基电池片。本发明的目的之二在于提供该种纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，该制备方法工艺简单，反应时间短，生产成本低，易产业化。

纳米晶/量子点有如下特点：（1）量子尺寸效应；(2)宏观量子隧道效应；（3）介电限域效应，并由这些效应产生了能隙调制,、高消光系数、大的本征偶极距等很多特性。这些特性让其作为光吸收剂被认为是下一代光伏器件关键材料而引起极大关注。所以合理利用量子点敏化晶硅电池片可以有效的增加其对光的吸收、降低反射、增加光电流密度和光电转化效率。纳米晶/量子点敏化的硅基电池片可以增加对太阳光的吸收效率，减少反射，增加其光电流密度和光电转化效率。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被量子点材料吸收，进而产生光生载流子并转移到硅基电池片上。

半导体材料的纳米晶/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。光子的能量得到有效传递，使电子发生了越迁，成为自由电子,在P－N结两侧集聚形成电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是光子能量转换成电能的过程。 

用硫族金属化合物纳米晶/量子点敏化晶硅材料是提高现有硅电池光电转换效率的有效途径：(1)硫族金属化合物量子点吸收光谱宽、吸收系数高；(2)有些硫族金属化合物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从量子点向基质转移；(3)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，是比纳米TiO2更好的电子受体基质。

本发明是利用纳米晶/量子点能隙调制, 高消光系数，大的本征偶极距等特性，在现有太阳能电池工业生产的基础之上，利用本发明的方法，通过对硅基电池片的预处理，在硅基电池片上生长纳米晶/量子点，制备纳米晶/量子点敏化硅基电池片。

本发明的技术方案具体如下：

一种纳米晶/量子点敏化硅基电池片，硅基电池片表面致密，均匀地分布有纳米晶/量子点，纳米晶/量子点与硅基电池片结合牢固，所述纳米晶/量子点为可作半导体材料的过渡金属硫族化合物的纳米颗粒。所述硅基电池片为单晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅等太阳能电池片均可。

进一步地，过渡金属为铜、铅、锡、锌、钼、铁、锑、铋、镉、银、镍、钴的一种或几种。

所述纳米晶/量子点为硫化铜、硫化铅、硫化锡、硫化锌、硫化钼、硫化铁、硫化锑、硫化铋、硫化镉、硫化银、硫化镍、硫化钴、硒化镉、硒化铅等一种或多种半导体材料的纳米颗粒。

前述纳米晶/量子点敏化硅基电池片的制备方法，包括以下步骤：

a.预合成法制备纳米晶/量子点