一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法，涉及一种纳米颗粒阵列。将薄膜太阳能电池表面进行清洗后，利用反应离子刻蚀系统对电池表面进行活化处理，获得具有亲水性表面的薄膜太阳能电池；在薄膜太阳能电池表面上采用旋涂法自组装单层PS球阵列；利用反应离子刻蚀系统调控单层聚苯乙烯纳米球的直径和间隙，得到表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池；在得到的薄膜太阳能电池表面沉积一层ZnO薄膜，在太阳能电池表面得到聚苯乙烯纳米球/氧化锌薄膜的核壳层结构；将得到的薄膜太阳能电池在氮气氛围内退火，在太阳能电池表面得到ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列。提高太阳能电池的光电转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种纳米颗粒阵列。尤其涉及用在太阳能电池表面以提高太阳能电池效率的。
技术介绍
当煤炭、石油等不可再生能源频 频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。中国的能源需求将长期持续增长。目前中国能源消费量达到22亿吨，已面临严峻的能源安全问题、环境污染问题等，在今后15年内增加十几亿吨的一次能源供应，是一个非常大的挑战，中国必须进一步寻求可持续的能源消费和供应途径。作为太阳能利用的重要方面，光伏发电是一种清洁的、用之不竭的可再生绿色新能源，受到越来越多的关注。近年来全球光伏产业发展速度迅猛，而我国光伏产业规模己经稳居全球第一。太阳能电池在生产和应用中面临的两个重要问题一是太阳能光电转换效率不高；二是生产成本过高。因此解决太阳能电池的光吸收率和光电转换效率显得尤为重要。在太阳能电池表面制作纳米结构可以有效增加太阳能电池对光的吸收，提高太阳能电池的转换效率。纳米结构可以通过折射和散射等将入射光有效耦合进太阳能电池有源区以增加光的吸收效率。大量研究证明，在太阳能电池表面制作纳米结果有利于提高太阳能电池的短路电流和光电转换效率。2007年美国麻省理工学院的陈刚教授课题组首次提出采用硅纳米线增加太阳能电池的光吸收，通过优化纳米线的尺寸和周期间隔，理论上吸收效率最大可增加 16. 09%[Lu Hu, Gang Chen. Nano Lett. , 2007, 7:3249] 2008 年美国圣地亚国家实验室的Yun-Ju Lee等人首次提出了采用ZnO纳米结构作为太阳能电池表面减反射层的应用，此研究小组研究了不同形态特征的ZnO纳米线作为减反射层的减反射效果，通过优化ZnO纳米线的尺寸和形态所得到1. 5 μ m长的锥形ZnO纳米线的加权平均反射率可降低到6. 6%。2007年澳大利亚新南威尔士大学的M. A. Green研究小组报道了采用金属纳米颗粒的表面等离子激元来增强硅薄膜太阳能电池的吸收效率和光电效率，对于薄膜硅太阳能电池在波长1050nm时最大可增强16倍的光吸收。目前在表面制作纳米结构的方法通常有在单晶硅太阳能电池表面制作绒面结构以增加光吸收；在太阳能电池表面刻蚀光子晶体阵列以增加太阳能电池光吸收；用贵金属纳米颗粒修饰太阳能电池表面，通过表面等离子体共振以增强光的散射吸收等。尺寸和光波长相当的电介质球形或球壳层形的微米、纳米颗粒可以作为具有低品质因子(Quality factor)的光学谐振腔。这种谐振模式称为“回音壁模式”(WGM :Whispering Gallery Modes)谐振。这种谐振模式可以有效将太阳光散射进太阳电池的有源区，以增加光捕获效率，提高太阳电池转换效率。ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，带隙约为3. 4eV，在可见光区域是透明的，并且具有良好的导电特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供用于提高太阳能电池效率的。本专利技术包括以下步骤I)将薄膜太阳能电池表面进行清洗后，利用反应离子刻蚀(Reactive IonEtching，简称RIE)系统对电池表面进行活化处理，获得具有亲水性表面的薄膜太阳能电池；在步骤I)中，所述薄膜太阳能电池可选自硅薄膜太阳能电池、铟磷镓砷单结及多节太阳电池、氮化物系列太阳电池等薄膜太阳能电池中的一种；所述的薄膜太阳能电池可采用已制作过减反射层的表面；所述清洗可采用有机溶剂进行超声清洗；所述超声清洗的具体方法可为用丙酮超声清洗IOmin,然后用酒精超声清洗IOmin,再用去离子水冲洗,最后用氮气吹干，放在干燥箱中干燥以备用。2)在步骤I)中得到的具有亲水性表面的薄膜太阳能电池表面上采用旋涂法自组装单层PS球阵列；在步骤2)中，所述自组装单层PS球阵列可采用旋涂法自组装单层聚苯乙烯纳米球阵列，旋涂的速度可为200 500rpm，旋涂的时间可为5 20s ;或旋涂的速度可为2000 4000rpm，旋涂的时间可为20 60s ;所述单层聚苯乙烯纳米球为单分散在水溶液中的PS纳米球，直径可为200 lOOOnm，浓度可为3% 10%(质量分数)。3)利用反应离子刻蚀系统调控单层聚苯乙烯纳米球的直径和间隙，得到表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池；在步骤3)中，所述反应离子刻蚀系统的射频功率可为60 80W，02流量可为I 2.5L/min，所述刻蚀时间可为O 120s。4)利用磁控溅射技术在步骤3)得到的表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池表面沉积一层ZnO薄膜，在太阳能电池表面得到聚苯乙烯纳米球/氧化锌薄膜的核壳层结构；在步骤4)中，所述磁控溅射可采用纯度为99. 99%的ZnO靶材，溅射过程中不加热，射频功率可为50 150W，为得到均匀的薄膜质量，基底旋转；溅射厚度可为O 250nm。5)将步骤4)得到的薄膜太阳能电池在氮气氛围内退火，在太阳能电池表面得到ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列。在步骤5)中，所述退火的温度可为500°C。经过上述工艺流程制作的ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列具有排列整齐，单层，尺寸均匀的特点，在太阳光照下特定波长的光可以在球壳结构的纳米颗粒内谐振，从而将光局限在ZnO纳米球壳结构中。在具有球壳结构的纳米颗粒与薄膜太阳能电池接触部分，由于外界相对折射率的改变导致局域在ZnO球壳结构纳米颗粒中的光导向到太阳能电池内部，最终达到增加薄膜太阳能电池对光的吸收效率和增加光电转换效率的目的。 上述提到的在具有球壳结构的纳米颗粒内的谐振模式是以回音壁模式进行谐振的。对于尺寸较大的ZnO壳层结构在太阳光谱下可以达到多级谐振，从而增加宽光谱内对光的吸收。特别的，对于尺寸为500nm，壳层厚度为20nm的ZnO球形空壳结构，在可见光范围可以出现明显的三种不同波长的谐振模式。又由于磁控溅射的ZnO薄膜是一种良好的导电性薄膜，在太阳能电池表面有利于电流的收集，增加太阳能电池的电极的导电性，最终增加薄膜太阳能电池的转换效率。本专利技术提出的可以增强太阳能电池光吸收的ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的工作原理是由于ZnO球形壳层纳米结构是一个理想的光学谐振腔，当太阳光照射在纳米结构阵列上时，特定的光波长可以在这样的光学谐振腔内发生谐振，以此将光导向谐振腔内部。这种光学谐振腔与太阳能电池接触时，由于局部接触部分的外界折射率改变引起光学谐振模式的改变，在光学谐振腔内谐振的光很容易从接触点由于散射作用而导向下面的太阳能电池，此时的光变成波导模式，最终传输到太阳能电池的有源区将光有效的吸收。本专利技术设计的结构有利于将太阳光捕获并变成波导模式传输到太阳电池的有源区以增强吸收，最终增强太阳能电池的光电转换效率。本专利技术提出的利用ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列提高太阳电池光电转换效率的原理，是在太阳能电池外延片的表面引入ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列，通过引入回音壁模式WGM光学谐振腔使太阳光在到达太阳能电池表面之前在此谐振腔内共振并将太阳光以泄露模式将光散射进太阳电池有源层，增强太阳电池对光的吸收率，从而提高太阳能电池的光电转换效率。本专利技术在薄膜太阳能电池表面采用自组装的单层密排列聚苯乙烯纳米球(Polystyrene n本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将薄膜太阳能电池表面进行清洗后，利用反应离子刻蚀系统对电池表面进行活化处理，获得具有亲水性表面的薄膜太阳能电池；2）在步骤1）中得到的具有亲水性表面的薄膜太阳能电池表面上采用旋涂法自组装单层PS球阵列；3）利用反应离子刻蚀系统调控单层聚苯乙烯纳米球的直径和间隙，得到表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池；4）利用磁控溅射技术在步骤3）得到的表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池表面沉积一层ZnO薄膜，在太阳能电池表面得到聚苯乙烯纳米球/氧化锌薄膜的核壳层结构；5）将步骤4）得到的薄膜太阳能电池在氮气氛围内退火，在太阳能电池表面得到ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列。
【技术特征摘要】
1.一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于包括以下步骤 1)将薄膜太阳能电池表面进行清洗后，利用反应离子刻蚀系统对电池表面进行活化处理，获得具有亲水性表面的薄膜太阳能电池； 2)在步骤I)中得到的具有亲水性表面的薄膜太阳能电池表面上采用旋涂法自组装单层PS球阵列； 3)利用反应离子刻蚀系统调控单层聚苯乙烯纳米球的直径和间隙，得到表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池； 4)利用磁控溅射技术在步骤3)得到的表面具有不同直径和间距的单层聚苯乙烯纳米球的薄膜太阳能电池表面沉积一层ZnO薄膜，在太阳能电池表面得到聚苯乙烯纳米球/氧化锌薄膜的核壳层结构； 5)将步骤4)得到的薄膜太阳能电池在氮气氛围内退火，在太阳能电池表面得到ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列。2.如权利要求1所述的一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于在步骤I)中，所述薄膜太阳能电池选自硅薄膜太阳能电池、铟磷镓砷单结及多节太阳电池、氮化物系列太阳电池中的一种。3.如权利要求1所述的一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于在步骤I)中，所述薄膜太阳能电池采用已制作过减反射层的表面。4.如权利要求1所述的一种ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列的制备方法，其特征在于在步骤I)中，所述清洗采用有机溶剂进行超声清洗。5.如权利要求4所述的一...
【专利技术属性】
技术研发人员：李静，尹君，岳闯，臧雅姝，何绪，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：
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