硅納米顆粒的制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用

王相虎

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 200245)

硅納米顆粒的制備及其在太陽能電池中的應(yīng)用

王相虎

(上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械學(xué)院， 上海 200245)

利用HF和AgNO3混合液刻蝕制備出n型硅納米顆粒，并將其應(yīng)用到納米薄膜太陽能電池。結(jié)果表明，隨著酸刻蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，硅納米顆粒的尺寸不斷減小，當(dāng)刻蝕時(shí)間為35min時(shí)，其尺寸平均值為80nm。將n型硅納米顆粒作為太陽能電池的窗口材料制備出納米薄膜太陽能電池器件，發(fā)現(xiàn)n型硅納米顆粒尺寸對(duì)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能也有明顯的影響，隨著n型硅納米顆粒尺寸的減小，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率不斷提高。

硅納米顆粒； 太陽能電池； 光電轉(zhuǎn)化效率

用于太陽能電池光伏產(chǎn)業(yè)的主要原料為硅材料。硅材料具有多種晶體形式，應(yīng)用于太陽能電池領(lǐng)域的硅材料包括單晶硅、多晶硅、薄膜非晶硅和薄膜多晶硅等。雖然單晶硅和多晶硅在太陽能光電材料中占90%左右，但是由于晶體硅材料的禁帶寬度為1.12eV，太陽能光電轉(zhuǎn)換效率較低；且硅材料為間接能帶材料，在可見光范圍內(nèi)，硅的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)低于其他太陽能材料[1-7]。因此，在制備晶體硅太陽能電池時(shí)，硅片的厚度需要在150～200μm 以上，才能有效地吸收太陽能。晶體硅材料需要經(jīng)過多次提純，相對(duì)成本較高。為降低太陽能電池的價(jià)格，人們從減少硅材料的使用量著手，研究發(fā)展第二代薄膜太陽能電池[8-13]。雖然以非晶硅薄膜為代表的第二代薄膜太陽能電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是也遇到了諸多困難，主要有：① 光電轉(zhuǎn)化效率比較低(低于10%)；② 穩(wěn)定性較差，會(huì)出現(xiàn)光致衰退現(xiàn)象(即Staebler-Wronski效應(yīng)[14])，其短路電流、轉(zhuǎn)化效率等也會(huì)因此下降。納米科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展給解決薄膜太陽能電池所遇到的困難提供了難得的機(jī)遇，科研人員借助于納米技術(shù)有望研發(fā)出低成本、穩(wěn)定性能良好、環(huán)境友好、高效率的納米薄膜太陽能電池器件，并由此形成新型納米薄膜太陽能電池研究熱潮[15]。

本文利用化學(xué)刻蝕的方法制備出硅納米顆粒，并嘗試制備出硅納米薄膜太陽能電池器件，結(jié)果表明，硅納米顆粒的尺寸對(duì)太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化性能有明顯的影響。

1 樣品制備

將n型(100)硅片切成約1.5cm×1.5cm左右大小,放入鉻酸洗液中浸泡幾小時(shí),然后依次用丙酮、乙醇、去離子水超聲振蕩各清洗10min,烘干后備用。稱取一定量的硝酸銀溶于水中,超聲溶解之后加入7.5mol/L的HF,攪拌均勻,配制成HF和AgNO3混合刻蝕液,其中AgNO3濃度為40mmol/L,HF的體積分?jǐn)?shù)為40%。將烘干后的硅片放入H2O2中浸泡5min，將清洗過的硅片浸入刻蝕液中,60℃條件下分別刻蝕10、20、35min?？涛g完畢后,取出硅片,先用去離子水洗去殘留的刻蝕液和附著在表面的灰色絮狀物,用硝酸洗去沉積物,再用去離子水洗去硝酸,最后室溫干燥。

本文樣品的結(jié)構(gòu)表征采用日本理光公司的D/max-RA型旋轉(zhuǎn)Cu靶12kW的X射線衍射儀；所用的掃描電子顯微鏡為Hitachi MPF-4場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electrom Microscope, SEM)。

2 結(jié)果與分析

2.1樣品的SEM測(cè)試結(jié)果

圖1為所制備樣品的SEM測(cè)試結(jié)果。由圖1(a) 可以看出，HF和AgNO3混合溶液刻蝕10min 所得到的樣品為硅納米顆粒，且呈現(xiàn)為不規(guī)則的納米顆粒形貌，平面中呈現(xiàn)多角結(jié)構(gòu)，其尺寸在300～1000nm，平均尺寸為420nm左右。由圖1(b)可以看出，當(dāng)刻蝕時(shí)間為20min時(shí)，所制備的樣品為不規(guī)則的硅納米顆粒，平面中也呈現(xiàn)多角結(jié)構(gòu)，其尺寸在200～500nm，平均尺寸為300nm左右。隨著時(shí)間的增加，當(dāng)刻蝕時(shí)間為35min 時(shí)，如圖1(c)所示，所制備的樣品仍為不規(guī)則的納米顆粒，平面中呈現(xiàn)多角結(jié)構(gòu)，其尺寸在30～180nm，平均尺寸約為80nm。

圖1 HF和AgNO3 混合溶液刻蝕制備樣品的SEM測(cè)試結(jié)果Fig.1 Measurements of SEM for silicon nanograins eroded with a mixture of HF and AgNO3

2.2樣品的X射線衍射(XRD)測(cè)試結(jié)果

由于所制備的硅納米顆粒是通過HF和 AgNO3混合溶液直接在n型(100)硅片刻蝕得到的，硅納米顆粒的晶格類型不隨刻蝕時(shí)間而發(fā)生變化，3個(gè)樣品的X射線衍射(X-Ray Diffraction,XRD)測(cè)試結(jié)果也應(yīng)該是一樣的。因此，只測(cè)試了HF和AgNO3混合溶液刻蝕35min的硅納米顆粒樣品，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖可見，得到的硅納米顆粒XRD峰分別來自(111)、(220)、(331)和(400)晶面，表明制備的硅納米顆粒為多晶結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)為體心立方。

圖2 HF和AgNO3混合溶液刻蝕52min后的X射線衍射譜Fig.2 XRD pattern for silicon nanograins eroded with a mixture of HF and AgNO3 for 52 min

將刻蝕時(shí)間為10、20、35min的硅納米球狀顆粒作為太陽能電池n極窗口材料，利用磁控濺射技術(shù)在其上面沉積一層p型硅薄膜，得到太陽能電池器件。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件AM1.5，1kW/m2下測(cè)得制備的太陽能電池Ⅰ-Ⅴ特性曲線，測(cè)試結(jié)果如圖3(a)、(b)、(c)所示。

圖3 在AM1.5，1kW/m2條件下測(cè)得刻蝕時(shí)間為10、20、35min的硅納米顆粒制備的太陽能電池Ⅰ-Ⅴ特性曲線Fig.3 Nanograins silicon solar cell Ⅰ-Ⅴ curves measured under illumination of 1kW/m2 power at AM1.5, solar cell having silicon nanograins and eroded for 10, 20 and 35 min, respectively

由太陽能電池的Ⅰ-Ⅴ測(cè)試結(jié)果可知，當(dāng)刻蝕10min時(shí)，得到的硅納米太陽能電池的開路電壓為0.43V，短路電流密度為77A/m2，填充因子為0.27，轉(zhuǎn)換效率為1.2%，如圖3(a)所示；當(dāng)刻蝕20min時(shí)，得到的硅納米太陽能電池的開路電壓為0.46V，短路電流密度為79A/m2，填充因子為0.29，轉(zhuǎn)換效率為1.3%，如圖3(b)所示；當(dāng)刻蝕35min時(shí)，得到的硅納米太陽能電池的開路電壓為0.47V，短路電流密度為81A/m2，填充因子為0.32，轉(zhuǎn)換效率為1.5%，如圖3(c)所示。由此可以看出，隨著刻蝕時(shí)間的增加，硅納米顆粒太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率在不斷增加。這可能是由于隨著刻蝕時(shí)間的增加，硅納米顆粒的尺寸不斷減小引起的。由于硅納米顆粒尺寸不斷減小，太陽光在納米顆粒薄膜太陽能電池中被散射次數(shù)不斷增加，因而增加了光在太陽能電池中的光程，提高了光的吸收效率，從而提高光電轉(zhuǎn)化效率。

3 結(jié) 語

利用HF和AgNO3混合液刻蝕制備出硅納米顆粒，并將其應(yīng)用到納米薄膜太陽能電池。當(dāng)刻蝕時(shí)間分別為10、20、35min時(shí)，得到的硅納米顆粒平均尺寸約為420、300、80nm。將上述硅納米顆粒分別作為太陽能電池的n極窗口材料，制備出硅納米顆粒薄膜太陽能電池器件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試，它們的光電轉(zhuǎn)化效率分別為1.2%、1.3%、1.5%。表明硅納米顆粒尺寸對(duì)硅納米薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率有顯著的影響，硅納米顆粒尺寸越小，太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率越高。

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Fabrication and Application of Nanograin Silicon for Solar Cell

WANGXianghu

(School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China)

The n-type nanograin silicon was eroded with a mixture of HF and AgNO3.The measurement of SEM indicates that the size of nanograin silicon decreases with increase of the eroded time.When the sample was eroded for 35 minutes, the smallest value of 80nm was obtained.As an n-type window material for solar cell, the size of nanograin silicon also has effects on the efficiency of energy conversion from light to electricity.Measurements of Ⅰ-Ⅴ curves under illumination with a 1kW/m2power at AM1.5 show that energy conversion efficiency increases with decrease of nanograin silicon size.

nanograin silicon; solar cell; energy conversion efficiency

2095-0020(2013)06 -0310-04

TB 383；TM 914.4

A

2013-10-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(10804070)；上海市高校選拔培養(yǎng)優(yōu)秀青年教師專項(xiàng)基金項(xiàng)目(sdj08013)；上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助(11YZ266)

王相虎(1976-)，男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體器件及物理，E-mail：wangxh@sdju.edu.cn