专利名称：一种提高掺杂碳薄膜材料光伏效应的方法
技术领域：
本发明涉及一种提高太阳能电池效率的化学处理方法。
背景技术：
太阳能以其清洁、无公害、安全等显著的优势，在当今世界各国积极寻求新的能源，替代石油、煤炭等传统能源趋势之下，日益成为人们关注的焦点。在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域。自从1954年贝尔实验室Chapin等人制备出首个pn结型硅太阳能电池以后，人们对太阳能电池的进行了广泛的研究，目前，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为:1.以非晶硅、多晶硅和单晶硅为材料的硅太阳能电池；2.以II1-V族化合物半导体如砷化镓、碲化镉等多元化合物为材料的薄膜太阳能电池及其叠层电池；3.以铜铟硒(CIS)为材料生产的薄膜太阳能电池；4.基于二氧化钛、氧化锌纳米晶的染料敏化纳米晶薄膜太阳能电池5.处于研究阶段的有机太阳能电池。为实现太阳能电池应用的普遍化，当前的研究者在考虑降低太阳能电池成本的同时，也在努力提高当前主流太阳能电池的光电转化效率，理论分析表明，提高太阳能电池中的能量转换一般包括到以下四个基本步骤:(I)增大对光子的吸收；(2)促进激子的产生及分开-空穴电子对的产生；(3)提高空穴与电子在向相对应的收集电极的运动；(4)增加电极部分对空穴和电子的采集。人们通常采取提高太阳能电池的效率的手段，一是在太阳能电池结构中加入氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钛、氧化锡等氧化物材料作为减反射膜和增加散射膜，目前人们较为常用的有导电透明半导体如氧化锌、氧化铟、铟锡氧化物(即透明导电薄膜)等。二是对基底进行褶皱化处理或将表面制作成金字塔结构，目前也有研究者对基底材料进行纳米线结构及纳米孔结构处理。三是采用 在基底材料中热蒸镀加入铝背电场，在异质结材料之间加入氧化层(公开号CN 101807611A)、本征层等手段，提高基底材料中少数载流子的寿命并降低少数载流子的复合，从而提高太阳能电池的效率。近年来，电解质溶液以其可以对太阳能电池材料进行化学修饰，增加其太阳能电池材料的电导率，促进光生载流子在异质结材料之间的传输，以及电解质溶液本身优异的透光性及电导率等优点，人们开始关注对太阳能电池进行电解质溶液的处理。人们报道了对碳纳米管薄膜/硅异质结太阳能电池进行硝酸等溶液处理，可以大大提高其太阳能电池效率(Nano Lett.2011，11，1901-1905)。研究者通过对碳纳米管薄膜/硅异质结分别进行不同浓度的氯化钠、硫酸、硝酸处理表明:在AM1.5G的光照条件下，0.1摩尔/升的氯化钠溶液处理后的碳纳米管薄膜/硅异质结，其开路电压由0.45伏特降低到0.33伏特，短路电流密度可由25.4毫安/厘米2提高到34.2毫安/厘米2，填充因子由0.22降低到0.19左右，转化效率由2.6%降低到2.1%。利用0.1摩尔/升的硫酸溶液处理的碳纳米管薄膜/硅异质结，其开路电压可由0.48伏特提高到0.5伏特，短路电流密度可由27.4毫安/厘米2提高到31.7毫安/厘米2，填充因子可由原来的0.47提高到0.66，转化效率可由6.2%提高到10.4%。0.5摩尔/升的硝酸溶液处理后的碳纳米管薄膜/硅异质结，其开路电压可由0.48伏特提高到0.53伏特，短路电流密度可由27.4毫安/厘米2提高到36.3毫安/厘米2，填充因子可由0.46提高到0.71，转化效率可由6.2%提高到13.8%。文献(ACS Nan0.2009,3(6):1407-1414)报道了单壁碳纳米管/硅异质结材料在一个太阳光照条件下转化效率为2.7%，经过亚硫酰氯(SOCl2)处理之后，其转化效率可以提高到 4.5%。文献(Appl.Phys.Lett.2011,99(23) =233505-233507)报道了石墨烯薄膜/硅纳米柱阵列异质结材料，经过硝酸处理后，在100毫瓦/厘米2的光照条件下，其转化效率可由 1.96%提高到 3.55%。文献(ACS Appl.Mater.1nterfaces 2011，3，721-725)报道了石墨烯薄膜/硅纳米线阵列异质结材料，经过SOCl2处理之后，在100毫瓦/厘米2的光照条件下，其转化效率可由1.84%提高到3.93%。但是，目前对太阳能电池进行溶液处理多采用硝酸、SOCl2等化学溶剂，处理工艺复杂，溶液对人体危害程度较高，利用过氧化氢处理却鲜有报道。依据专利(公开号CN101807611A)要求，我们对制备的太阳能电池进行了过氧化氢处理，发现过氧化氢处理可进一步提高其转化效率。另外，过氧化氢价格便宜，易于储存，而且利用过氧化氢对太阳能电池材料进行处理，处理工艺简单易行，反应产物对人体无毒害，因此在提高太阳能电池效率方面有很好的应用价值和应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高掺杂碳薄膜材料光伏效应的方法，用于提高太阳能电池的转化效率。本发明的目的是这样实现的，它是一种以厚度为0.5 1.0毫米的单晶硅片为衬底，用磁控溅射的方法将掺杂原子数含量为O 5%钯的石墨复合靶溅射到抛光的硅基片表面上，形成厚度为20 200纳米的薄膜，制成钯掺杂碳薄膜/硅异质结材料，或者钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅(SIS)结构。该材料具有光伏效应，可用于制造太阳能电池和光敏传感器件。该碳薄膜/硅异质结材料及碳薄膜/ 二氧化硅/硅(SIS)结构材料的制备方法是通过以下步骤实施: (I)将纯度为99.9%的石墨粉和一定量的纯度为99.9%钯粉混合、冷压获得含有O 5% (原子数含量)的钯元素的钯-石墨复合靶。(2)先用摩尔浓度为20%的氢氟酸溶液浸泡实验所需的厚度为0.5 1.0毫米的硅基片5分钟，然后依次用去离子水、丙酮、乙醇在超声波中各清洗硅基片5分钟，或者不用氢氟酸溶液浸泡(保留硅片的自然氧化层)，只用去离子水、丙酮、乙醇在超声波中各清洗硅基片5分钟。(3)将清洗好的硅基片放入溅射室，开启抽真空系统进行抽真空。(4)当背景真空为2 X10-4帕时，通入氩气，并维持3帕的压强，待气压稳定后，开始用掺钯的石墨复合靶溅射，溅射功率为48瓦(溅射直流电压:0.40千伏，溅射直流电流:
0.12安培)，溅射时间为5至120分钟，溅射温度为室温至600°C。(5)溅射完毕后，停止通氩气，抽真空系统继续工作，使样品在真空度较高的环境下自然冷却，待样品温度降至室温，取出样品。(6)这样制备的钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料，或者钯掺杂碳薄膜/硅异质结材料的薄膜厚度为20 200纳米，具有光生伏特效应，即钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料的半导体-氧化物-半导体结构在太阳模拟器20毫瓦/厘米2的光照条件下，测得了开路电压为0.31伏特，短路电流密度为6.02毫安/厘米2，转换效率为5.5%，填充因子为
0.59。(7)将所制备的钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料浸泡在浓度为30 %的过氧化氢溶液中I 15分钟，然后取出，在20毫瓦/厘米2的光照条件下，测得了开路电压为0.39伏特，短路电流密度为8.64毫安/厘米2，转换效率为7.6 %，填充因子为0.46。由上述过程所获得的过氧化氢处理钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料光电转化性能变化明显，即过氧化氢处理后的钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料在20毫瓦/厘米2的光照条件下其开路电压可由原来的0.31伏特提高到0.39伏特，短路电流密度可由6.02毫安/厘米2提高到8.64毫安/厘米2，转化效率可由5.5%提高到7.6%。本发明所提供的对钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料太阳能电池进行过氧化氢处理的方法，成本低廉，简单易行，反应产物对人体无毒害，在对太阳能电池材料进行处理，提高太阳能电池效率方面有很好的应用价值。
图1为依据本发明所提供的过氧化氢处理钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料(SIS结构)光伏电池的结构示意图。图2为在室温下，依据本发明所制造的钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料太阳能电池，经过I 15分钟浓度为30%的过氧化氢处理之后，在20毫瓦/厘米2光照条件下，电流密度-电压特性测试结果示意图(图中有未经过氧化氢处理情况下的电流密度-电压特性结 果)。
权利要求
1.一种提高掺杂碳薄膜材料光伏效应的方法，用于提高太阳能电池的转化效率。其特征是，利用浓度为的30%过氧化氢浸泡钯掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料(半导体-氧化物-半导体结构)，浸泡时长为I 15分钟，在20毫瓦/厘米2的光照条件下，过氧化氢处理后的异质结材料开路电压、短路电流密度及其转化效率均得到提高。
2.依据权利要求1所述的一种提高掺杂碳薄膜材料光伏效应的方法，用于提高太阳能电池的转化效率，其特征是，能够提高不同元素掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料(半导体-氧化物-半导体结构)在光照条件下的开路电压、短路电流密度及其转化效率。
3.依据权利要求1或2所述的一种提高掺杂碳薄膜材料光伏效应的方法，用于提高太阳能电池的转化效率，其特征是利用该处理方法，其元素掺杂碳薄膜/ 二氧化硅/硅材料(半导体-氧化物-半导体结构)太阳能电池的氧化层可以是二氧化硅、氧化铝、氧化锌、氧化铜等氧化 物。
全文摘要
本发明提供了一种具有光电导效应的钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料，是将掺杂原子数含量为0～5％钯的石墨复合靶溅射到厚度为0.5～1.0毫米的带有氧化物的半导体衬底上，形成一层厚度为20～200纳米的薄膜，制成钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料。该钯掺杂碳薄膜/氧化物/半导体材料具有光电导效应，而且光电流与光照辐射强度具有很好的线性关系，可以用于制备光电传感器件，在室温下工作，结构简单，成本低，生产工艺简单，成品率高，具有广阔的应用前景。
文档编号H01L31/18GK103247710SQ201210030220
公开日2013年8月14日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者王盛, 薛庆忠, 杜永刚, 夏富军 申请人:中国石油大学(华东)