混合太阳能电池及其制备方法、空穴输运层形成方法技术

本发明专利技术提供了一种有机无机混合太阳能电池及其制备方法和空穴输运层形成方法。其中，混合太阳能电池的空穴输运层形成方法包括：步骤A：对硅衬底的正面进行制绒处理，形成金字塔结构界面；步骤B：将具有金字塔结构界面的硅衬底在氢氟酸和硝酸混合溶液中进行各向同性刻蚀，以圆滑化金字塔结构的底部；以及步骤E，在硅衬底正面的金字塔结构界面上匀胶旋涂共轭聚合物，对该共轭聚合物进行退火处理形成p型空穴输运层。本发明专利技术对硅衬底金字塔结构的底部进行低成本的化学处理后，底部变的圆滑、开阔，基本保持了金字塔的减反射效果，而且还可以确保共轭有机聚合物在金字塔上的保角覆盖。

【技术实现步骤摘要】
混合太阳能电池及其制备方法、空穴输运层形成方法
本专利技术涉及清洁能源
，尤其涉及一种有机无机混合太阳能电池及其制备方法和空穴输运层形成方法。
技术介绍
近年来，随着不可再生能源的逐渐枯竭，清洁能源的开发与利用引起了人们广泛的关注。其中，太阳能电池凭借其无污染，丰富的来源等诸多优点成为21世纪最有应用潜力与应用价值的应对能源枯竭的绿色能源。由于较高的转换效率，丰富的材料来源，无毒以及长期的稳定性，使得硅基太阳能电池在清洁能源领域处于主导地位。然而，由于需要使用复杂的高温高真空生产工艺(如扩散制结，电极烧结，镀减反钝化膜等)，并且需要较厚的硅衬底厚度来确保光子的吸收，使得硅太阳能电池的生产成本较高。目前，硅基太阳能电池仍然需要在政府补助下才得以应用。随着太阳能电池行业的发展，有机聚合物太阳能电池，由于其电子给体材料丰富，价格低廉，以及简单且低温的制备工艺，被认为是新一代低成本太阳能电池。然而，电子受体材料的匮乏，较低的转换效率与较差的稳定性成为有机聚合物太阳能电池面临的巨大挑战。目前，将单晶硅太阳能电池与有机聚合物太阳能电池技术结合，利用硅的宽光谱吸收，n型硅的电子受体性质与稳定性，以及有机聚合物太阳能电池的快速低成本制备工艺，成为一种既能实现低成本，又能提高转换效率的有效地可执行的办法，这种基于无机硅材料和有机聚合物的电池被称为有机无机混合太阳能电池。过去几年，混合太阳能电池主要以共轭有机聚合物/硅异质结为基础。其中，聚(3，4-乙烯二氧噻吩)：聚苯乙烯磺酸(Poly(3，4-ethylenedioxythiophene)：Polystyrenesulfonate，PEDOT：PSS)由于具有较高的透过率和良好的导电性，使之成为最有潜力的混合太阳能电池的候选材料。目前，对硅衬底进行表面处理的方式一般有两种：1、在硅衬底表面形成纳米结构界面；和(2)在硅衬底表面形成微米级别的金字塔结构界面。目前，对于微米级别的金字塔结构界面的有机无机混合太阳能电池来讲，其既保留了良好的陷光效果，又没有引起严重的表面复合，而且也能获得较好的覆盖率，形成较大面积的结，有助于载流子的分离与收集。另外，金字塔结构是通过碱各向异性刻蚀的方法获得的，工艺简单、成熟且无毒性。然而，现有技术在硅衬底表面形成微米级别金字塔结构应用于硅有机无机混合太阳能电池还存在一些问题。图1为单晶硅经过各向异性碱制绒后所得的原始金字塔形貌。图2为在未经任何处理的单晶硅的原始金字塔结构上涂覆PEDOT：PSS后的界面形貌。如图1所示，原始金字塔的底部非常尖锐。由于金字塔结构界面的底部比较尖锐，空隙较小，普遍存在着PEDOT：PSS在底部覆盖不上，接触不好的问题，如图2所示，这些问题在参考文献1、2中均有体现。虽然匀胶旋涂的速率增加，可以改善这一情况，但较大的旋涂速率会使聚合物的膜厚减薄，恶化聚合物薄膜的电学性能。另外，也有研究者尝试先涂覆一层薄薄的小分子聚合物，再旋涂大分子共轭有机聚合物，来增加聚合物的覆盖率，这不仅在混合太阳能电池结构上增加了新的界面问题，而且工艺步骤比较复杂，成本较高。参考文献1：Micro-texturedconductivepolymer/siliconheterojunctionphotovoltaicdeviceswithhighefficiency，Ting-GangChen，Bo-YuHuang，En-ChenChen，PeichenYu，andHsin-FeiMeng，Appl.Phys.Lett.，2012，101，033301；参考文献2：Organic-siliconheterojunctionsolarcells：Open-circuitvoltagepotentialandstability，JanSchmidt，ValeriyaTitova，andDimitriZielke，Appl.Phys.Lett.，2013，10，183901。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题鉴于上述技术问题，本专利技术提供了一种有机无机混合太阳能电池及其制备方法和空穴输运层形成方法，以将金字塔结构界面的底部圆滑化，提高PEDOT：PSS在底部的覆盖率和接触性。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种有机无机混合太阳能电池的空穴输运层形成方法。该空穴输运层形成方法包括：步骤A：对硅衬底的正面进行制绒处理，形成金字塔结构界面；步骤B：将具有金字塔结构界面的硅衬底在氢氟酸和硝酸混合溶液中进行各向同性刻蚀，以圆滑化金字塔结构的底部；以及步骤E，在硅衬底正面的金字塔结构界面上匀胶旋涂共轭聚合物，对该共轭聚合物进行退火处理形成p型空穴输运层。根据本专利技术的又一个方面，提供了一种有机无机混合太阳能电池的制备方法。该制备方法除上述的空穴输运层形成方法之外；还包括：在硅衬底的背面制备负电极，与硅衬底形成欧姆接触；在p型空穴输运层上制备正电极，从而制备出混合太阳能电池。根据本专利技术的再一个方面，提供了一种经由上述制备方法制备的有机无机混合太阳能电池。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术有机无机混合太阳能电池及其制备方法和空穴输运层形成方法具有以下有益效果：(1)对硅衬底金字塔结构的底部进行低成本的化学处理后，底部变的圆滑、开阔，基本保持了金字塔的减反射效果，而且还可以确保共轭有机聚合物在金字塔上的保角覆盖，使得硅/共轭有机聚合物异质界面形成良好的接触，增加了结的面积，提高了光生载流子在界面的分离和传输效率；(2)界面的保角覆盖增强了对界面处硅的钝化效果，降低了光生载流子在界面处的复合速率；(3)良好的界面接触降低了混合太阳能电池的串联电阻，从而提高了混合太阳能电池的性能。附图说明图1是单晶硅经过各向异性碱制绒后所得的原始金字塔形貌；图2为在未经任何处理的单晶硅的原始金字塔结构上涂覆PEDOT：PSS后的界面形貌；图3为根据本专利技术实施例一有机无机混合太阳能电池的空穴输运层形成方法的流程图；图4为根据本专利技术实施例有机无机混合太阳能电池的纵剖面示意图；图5是单晶硅的原始金字塔结构经过酸一步法处理后的形貌；图6是单晶硅的原始金字塔结构经过酸、碱两步法处理后的形貌；图7为界面优化前后有机无机混合太阳能电池异质结及载流子传输的二维示意图；图8是平面硅、原始金字塔制绒硅、酸碱两步法处理后的金字塔制绒硅的反射谱；图9是经过酸、碱两步法处理后的单晶硅金字塔结构上涂覆PEDOT：PSS后的界面形貌；图10是原始金字塔制绒硅、酸碱两步法处理后的金字塔制绒硅上匀胶旋涂70nmPEDOT：PSS后的反射谱。【主要元件】1-金属背电极；2-n型单晶硅衬底；3-硅金字塔阵列；4-p型空穴输运层；5-银栅正电极。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属
中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合太阳能电池的空穴输运层形成方法，其特征在于，包括：步骤A：对硅衬底的正面进行制绒处理，形成金字塔结构界面；步骤B：将具有金字塔结构界面的硅衬底在氢氟酸和硝酸混合溶液中进行各向同性刻蚀，以圆滑化金字塔结构的底部；以及步骤E，在硅衬底正面的金字塔结构界面上匀胶旋涂共轭聚合物，对该共轭聚合物进行退火处理形成p型空穴输运层。

【技术特征摘要】
1.一种混合太阳能电池的空穴输运层形成方法，其特征在于，包括：步骤A：对硅衬底的正面进行制绒处理，形成金字塔结构界面；步骤B：将具有金字塔结构界面的硅衬底在氢氟酸和硝酸混合溶液中进行各向同性刻蚀，以圆滑化金字塔结构的底部；步骤C：将各向同性刻蚀后的硅衬底在碱溶液中进行刻蚀，去除各向同性刻蚀后形成的纳米多孔层；步骤D，将去除纳米多孔层的硅衬底在氢氟酸溶液中进行刻蚀，去除在金字塔结构表面形成的自然氧化层；以及步骤E，在硅衬底正面的金字塔结构界面上匀胶旋涂共轭聚合物，对该共轭聚合物进行退火处理形成p型空穴输运层。2.根据权利要求1所述的空穴输运层形成方法，其特征在于，所述步骤B氢氟酸和硝酸混合溶液中，氢氟酸的摩尔浓度为0.5-2mol/L，硝酸的摩尔浓度为2-10mol/L。3.根据权利要求2所述的空穴输运层形成方法，其特征在于，所述各向同性刻蚀的温度介于20℃～30℃之间，处理时间介于1min～10min之间。4.根据权利要求1所述的空穴输运层形成方法，其特征在于，所述步骤C中，所述碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液或四甲基氢氧化铵溶液，溶液的OH根离子的摩尔浓度介于1-5mol/L之间。5.根据权利要求1所述的空穴输运层形成方法，其特征在于，所述碱溶液的温度介于20℃～50℃之间，处理时间介于5s～3...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽霞，刘尧平，王燕，陈伟，梁会力，梅增霞，杜小龙，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11