本发明专利技术公开了一种提高硅基光伏器件光电转换效率的方法，特征是包括制备银纳米片、硅纳米线阵列的湿法刻蚀、硅纳米线‑银纳米片‑聚(3,4‑亚乙二氧基噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)无机‑有机异质结器件的组装等。本发明专利技术合成/组装方法简便、原理清楚、效果明显。采用本发明专利技术方法利用纳米贵金属等离激元产生热电子注入机制，使得硅基光伏器件的电流密度增大、吸光范围增大，近红外区域的光电转换效率有明显提高，对实现太阳光谱的宽(全)光谱响应、吸收和利用有重要作用。本发明专利技术是极具应用前景的太阳能利用光谱宽化和光电转换效率提高的方法，具有广泛的能源、工业用途。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能光电
，具体涉及利用纳米贵金属等离激元产生的热电子注入效应提高硅基光伏器件光电转换效率的方法。
技术介绍
中国国家科学思想库决策咨询系列丛书《太阳电池发展现状及性能提升研究》(科学出版社，2014年第一版，1-7页)指出，太阳能的利用是解决当前严峻的能源和环境问题的有效途径之一，同时也是各国科学家研究的热点。在各种能源转化形式中，电能具有使用清洁方便、易于储存及输送等优势，因此光电转换已成为一种主要的太阳能利用方式。太阳能电池光电转换的基础是半导体材料/类半导体材料的光生伏特效应，目前广泛研究的太阳能电池包括元素半导体太阳能电池(单晶硅、多晶硅、硅薄膜)，化合物半导体太阳能电池(III-V族化合物、CIGS薄膜、CdTe薄膜)，染料敏化太阳能电池，有机聚合物太阳能电池，以及钙钛矿型太阳能电池、量子点太阳能电池等下一代超高效太阳能电池等。太阳能的高效利用可通过吸光范围和转换效率等方面的改善来实现，而目前大多数光伏器件都主要在可见光吸收，占太阳光中52％的近红外光并没有得到高效利用。《太阳电池发展现状及性能提升研究》(科学出版社，2014年第一版，169-172页)指出，发展高效率、低成本的第三代硅基太阳能电池已成为人们关注的前沿课题之一，而这需要采用不同于常规的新材料、新技术、新结构，其主要的解决途径之一是使硅基材料能对长波长和短波长的光均产生有效响应，即实现对太阳光谱的宽(全)光谱响应。正因为如此，增强在近红外区域的太阳光吸收和利用，已成为一个关键科学问题，这对于器件类型的设计及机制研究提出了具体要求，如果能提高近红外区域的转换效率，能使得太阳能电池效率更进一步提升，对太阳能的利用效率更进一步增大，相关的产能和效益就越发突出。《太阳电池发展现状及性能提升研究》(科学出版社，2014年第一版，172-180页)指出，目前的研究中，针对宽光谱响应的硅基光伏器件的设计主要包括多层/多结电池的设计，以及硅量子点等新材料的使用。多层/多结电池制备繁琐，工艺精度要求极高；硅量子点等新材料的使用尽管能得到宽光谱响应，但没有作用机理上的拓展和创新，不能突破光伏器件效率的瓶颈。据《科学通报》(2011年，56期，2631-2661页)《金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用》一文中指出，贵金属纳米颗粒具有本征的等离激元效应，其共振吸光
可调范围广，在光学吸收增强、光热效应、热电子激发方面都有突出的表现，可以将光子引入纳米尺度。等离激元的能量释放过程中会产生相对背景热分布更高能量的电子-空穴对，这些带有更高能量的热载流子有着很好的光动力学应用前景。等离基元在光学方面已经有了一些比较好的应用，比如在光催化、光探测、光电转换方面。目前在光电转换中等离基元的使用以贵金属阵列结构为主，已在实现对太阳光谱的宽(全)光谱响应有了比较好的应用，但贵金属阵列结构对仪器设备以及工艺的要求高，不能简单、大量制备，成本也很高。相比贵金属阵列结构而言，贵金属纳米颗粒对设备工艺要求极低，容易大量合成，可调范围广，但目前在光伏器件领域，贵金属纳米颗粒的等离激元的应用和作用机制还没有得到很好的研究。基于此，急需发展一种简单有效的方法，尤其针对近红外区域的太阳光，利用纳米贵金属等离激元效应，组装出更加广谱吸收和响应的光伏器件，使得太阳能利用效率得到提高和改善。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种提高硅基光伏器件光电转换效率的方法，以利用银纳米片的近红外区域的等离激元产生的热电子，在光作用下持续注入到硅基光伏器件的传输主体中，来增大光伏器件吸光范围，提高相应的转换效率。本专利技术提高硅基光伏器件光电转换效率的方法，其特征在于：按照由0.5mL 25-100mmol/L的硝酸银水溶液、5mL 50-150mmol/L的柠檬酸钠水溶液和0.5-2mL质量浓度30％的过氧化氢加入250mL水中组成的混合液，在室温搅拌下加入处于冰浴环境中的2.5mL 50-200mmol/L的硼氢化钠水溶液中，反应5-10分钟，得到银纳米三角片；将所得到银纳米片用水离心清洗三次后，分散在2mL水中，形成银纳米片水分散液；采用氧等离子体清洗掉硅片母版表面的有机物后，再用质量浓度3-10％的氢氟酸水溶液清洗硅片母版表面1-5分钟；将经上述预处理后的硅片母版浸入含2.5-10mmol/L硝酸银和2.4-4.8mol/L氢氟酸的水溶液中，在均匀搅拌下反应至硅片母版表面形成一层尺寸为10-300nm的银颗粒；再将上述硅片浸入含3-6mol/L过氧化氢和2.4-4.8mol/L氢氟酸的水溶液中进行湿法刻蚀，静置2-20分钟；先用质量浓度30-50％的稀硝酸、再用质量浓度3-10％的氢氟酸来清洗掉阵列中残存的银颗粒以及表面的氧化层，得到硅纳米线阵列；将所得到的硅纳米线阵列用氩气等离子体清洗，控制等离子体清洗仪器的工作电压在0.5-1.5kV、仪器工作腔内气压为10-102Pa条件下，清洗至红外光谱检测不出表
面硅氢键；然后先将前面制备的银纳米片水分散液滴在上述经清洗清除硅氢键后的硅纳米线阵列上至完全覆盖硅纳米线阵列，再把体积比浓度为60％的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)的乙醇溶液滴在其外表面至完全覆盖；再将涂有0.5-5μL/cm2体积比浓度为60％的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液的8Ω/sq氧化铟锡透明玻璃覆在其上，使氧化铟锡透明玻璃和硅纳米线阵列上的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液相互接触，将氧化铟锡透明玻璃作为前电极；将银胶涂在硅片背部作为背电极。所述制备银纳米片所使用的硝酸银水溶液浓度优选为50mmol/L，柠檬酸钠水溶液浓度优选为75mmol/L，使用质量浓度30％的过氧化氢的体积优选为1mL，硼氢化钠水溶液浓度优选为100mmol/L；所述制备银纳米片的反应时间优选为5分钟。所述硅片母版优选1～10Ω·cm的N型(100)硅片；所述采用氧等离子体清洗硅片母版的清洗时间优选为1分钟；所述清洗预处理硅片母版所使用的氢氟酸优选质量浓度为5％、清洗1分钟。所述制备硅纳米线阵列所使用的硝酸银水溶液浓度优选为5mmol/L，氢氟酸水溶液浓度优选为4.8mol/L，过氧化氢水溶液浓度优选为4.5mol/L；所述制备硅纳米线阵列的过氧化氢-氢氟酸刻蚀时间优选为3分钟，优选控制使所得硅纳米线长度为2μm，相邻纳米线之间的距离为50-500nm；每cm2硅纳米线阵列加入银纳米片的量优选为200nmol。所述湿法刻蚀后的清洗优选先用质量浓度30％稀硝酸、再用5％氢氟酸，分别清洗1分钟。所述将硅纳米线阵列用氩气等离子体清洗，控制等离子体清洗仪器的工作电压优选为1kV，仪器工作腔内气压优选为40Pa，时间优选为30分钟。所述加入硅纳米线阵列中的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液的滴加量优选为20μL/cm2；操作顺序优选的是，先将银纳米片加到硅纳米线阵列中，再加入聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)的乙醇溶液，使银纳米片直接接触硅纳米线，且位于无机有机异质结的界面间。本专利技术提高硅基光伏器件光电转换效率的方法其机理是：银纳米片本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种提高硅基光伏器件光电转换效率的方法，其特征在于：按照由0.5mL 25‑100mmol/L的硝酸银水溶液、5mL 50‑150mmol/L的柠檬酸钠水溶液和0.5‑2mL质量浓度30％的过氧化氢加入250mL水中组成的混合液，在室温搅拌下加入处于冰浴环境中的2.5mL 50‑200mmol/L的硼氢化钠水溶液中，反应5‑10分钟，得到银纳米三角片；将所得到银纳米片用水离心清洗三次后，分散在2mL水中，形成银纳米片水分散液；采用氧等离子体清洗掉硅片母版表面的有机物后，再用质量浓度3‑10％的氢氟酸水溶液清洗硅片母版表面1‑5分钟；将经上述预处理后的硅片母版浸入含2.5‑10mmol/L硝酸银和2.4‑4.8mol/L氢氟酸的水溶液中，在均匀搅拌下反应至硅片母版表面形成一层尺寸为10‑300nm的银颗粒；再将上述硅片浸入含3‑6mol/L过氧化氢和2.4‑4.8mol/L氢氟酸的水溶液中进行湿法刻蚀，静置2‑20分钟；先用质量浓度30‑50％的稀硝酸、再用质量浓度3‑10％的氢氟酸来清洗掉阵列中残存的银颗粒以及表面的氧化层，得到硅纳米线阵列；将所得到的硅纳米线阵列用氩气等离子体清洗，控制等离子体清洗仪器的工作电压在0.5‑1.5kV、仪器工作腔内气压为10‑102Pa条件下，清洗至红外光谱检测不出表面硅氢键；然后先将前面制备的银纳米片水分散液滴在上述经清洗清除硅氢键后的硅纳米线阵列上至完全覆盖硅纳米线阵列，再把体积比浓度为60％的聚(3,4‑亚乙二氧基噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)的乙醇溶液滴在其外表面至完全覆盖；再将涂有0.5‑5μL/cm2体积比浓度为60％的聚(3,4‑亚乙二氧基噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液的8Ω/sq氧化铟锡透明玻璃覆在其上，使氧化铟锡透明玻璃和硅纳米线阵列上的聚(3,4‑亚乙二氧基噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液相互接触，将氧化铟锡透明玻璃作为前电极；将银胶涂在硅片背部作为背电极。...
【技术特征摘要】
1.一种提高硅基光伏器件光电转换效率的方法，其特征在于：按照由0.5mL 25-100mmol/L的硝酸银水溶液、5mL 50-150mmol/L的柠檬酸钠水溶液和0.5-2mL质量浓度30％的过氧化氢加入250mL水中组成的混合液，在室温搅拌下加入处于冰浴环境中的2.5mL 50-200mmol/L的硼氢化钠水溶液中，反应5-10分钟，得到银纳米三角片；将所得到银纳米片用水离心清洗三次后，分散在2mL水中，形成银纳米片水分散液；采用氧等离子体清洗掉硅片母版表面的有机物后，再用质量浓度3-10％的氢氟酸水溶液清洗硅片母版表面1-5分钟；将经上述预处理后的硅片母版浸入含2.5-10mmol/L硝酸银和2.4-4.8mol/L氢氟酸的水溶液中，在均匀搅拌下反应至硅片母版表面形成一层尺寸为10-300nm的银颗粒；再将上述硅片浸入含3-6mol/L过氧化氢和2.4-4.8mol/L氢氟酸的水溶液中进行湿法刻蚀，静置2-20分钟；先用质量浓度30-50％的稀硝酸、再用质量浓度3-10％的氢氟酸来清洗掉阵列中残存的银颗粒以及表面的氧化层，得到硅纳米线阵列；将所得到的硅纳米线阵列用氩气等离子体清洗，控制等离子体清洗仪器的工作电压在0.5-1.5kV、仪器工作腔内气压为10-102Pa条件下，清洗至红外光谱检测不出表面硅氢键；然后先将前面制备的银纳米片水分散液滴在上述经清洗清除硅氢键后的硅纳米线阵列上至完全覆盖硅纳米线阵列，再把体积比浓度为60％的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)的乙醇溶液滴在其外表面至完全覆盖；再将涂有0.5-5μL/cm2体积比浓度为60％的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液的8Ω/sq氧化铟锡透明玻璃覆在其上，使氧化铟锡透明玻璃和硅纳米线阵列上的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)乙醇溶液相互接触，将氧化铟锡透明玻璃作为前电极；将银胶涂在硅片背部...
【专利技术属性】
技术研发人员：熊宇杰，刘东，杨东，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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