一种新型硅-有机杂化太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及半导体制备技术领域，特别是涉及一种新型硅-有机杂化太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

传统的硅电池成本较高的原因在于在其制备过程中离子注入工艺需要极高的温度，而且需要使用复杂的光刻工艺等，这些工艺很大程度提高了成本，占到了硅电池总成本的三分之一以上，而现有的有机太阳能电池虽然工艺简单，但材料寿命短，很难应用广泛。

如果将硅与有机物结合起来，一方面我们可以很好的将有机材料的优异透光性能，简单的溶液旋涂工艺以及低廉的成本这些优势利用起来，另一方面还能保留硅电池成熟的工艺和其良好的光电性能。这样一来，会简化了电池的制作工艺，降低了成本。因此，硅-有机杂化太阳能电池作为一种新型的太阳能电池在降低成本，提高效率方面展示出了很大的潜力。

为了进一步提高硅-有机杂化太阳能电池的性能，目前所采用的方法都是在硅片表面制备微纳结构来加强光的捕获率，并增加与有机物的接触面积以及获得更多的载流子提升光电转换效率。但这些方法或多或少会存在一些问题，例如：

中国专利文献cn105006496a公布的方法中，其包括了去损伤层、形成去离子水膜、制绒、分离复合结构得到单面纳米绒硅片等步骤，但是该方法在实践应用过程中难以实现，去离子水膜不稳定，两片硅片容易分开导致刻蚀失败，成品率不高；

中国专利文献cn107946384a公开了一种硅-pedot：pss杂化太阳能电池及其制备方法，该方法包括硅基底清洗、表面钝化处理、硅纳米线/pedot：pss复合膜的制备、pedot：pss/硫化亚铜纳米颗粒/氧化石墨烯复合导电层的制备、背面界面层的制备、正背电极的制备7个步骤，但该方法短路电流较低，且退火次数多，容易对有机膜会造成损害；

中国专利文献cn108539027a公开了一种有机无机杂化太阳能电池及其制备方法，该方法包括对n型硅片进行制绒处理、对所述n型硅片进行钝化处理、氯化锶界面修饰薄膜的制备、p3ht复合层的制备、pedot:pss复合层的制备、bphen/氟化锂复合界面层的制备、正面栅电极的制备以及背面电极的制备6个步骤，但该方法的工艺繁杂，引入了大量的缺陷态，导致载流子复合严重。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是提供一种新型硅-有机杂化太阳能电池及其制备方法，能够有效改善电池的性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种新型硅-有机杂化太阳能电池的制备方法，包括：s1：对硅基片进行清洗后，使用胶带完全覆盖粘贴硅基片的背面，并在粘贴后将胶带摁压贴牢；s2：将硅基片贴有胶带的一面与石英片紧密贴合，并使用夹子沿硅基片的边缘将硅基片与石英片夹紧；s3：将硅基片正面朝上沉浸在刻蚀液中刻蚀硅基片的正面，以在硅基片的正面形成微纳结构；s4：在刻蚀完成后取下夹子，使用去离子水冲洗硅基片，将硅基片置于丙酮中进行浸泡处理后，取下胶带；s5：清洗并吹干硅基片，将硅基片放置在紫外臭氧装置中，对硅基片进行臭氧处理，以在硅基片的正面形成二氧化硅层；s6：在硅基片的正面旋涂pedot:pss水溶液，以形成pedot:pss减反膜；s7：在pedot:pss减反膜表面旋涂含有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的pedot:pss溶液，并在氮气氛围中进行退火处理，以形成高导电率的导电膜；s8：在硅基片的背面旋涂含有pcbm的氯苯溶液，并在氮气氛围中常温静置，以形成pcbm电子传输层；s9：将硅基片置于高真空腔体中，使用热蒸镀在硅基片的背面形成铝背电极以及在硅基片的正面形成银栅线电极。

优选的，所述胶带是聚酯薄膜防酸碱胶带，所述夹子采用聚四氟乙烯材料制成。

优选的，刻蚀液为60-80℃的碱性液体，硅基片在丙酮中的浸泡时间为10分钟。

优选的，所述步骤s5中，紫外臭氧装置中通入的氧气流量为2-5l/分钟，持续时间为3-30分钟。

优选的，所述步骤s6中，pedot:pss水溶液的旋涂时间为30-55秒，旋涂转速为1000-2500转/分钟，pedot:pss减反膜的厚度为50-150纳米。

优选的，所述步骤s7中，pedot:pss溶液的旋涂时间为40-60秒，旋涂转速为800-5000转/分钟，退火温度为110-135℃，退火时间为20-30分钟。

优选的，pedot:pss溶液中的二甲基亚砜含量为质量分数2-8％、聚乙二醇辛基苯基醚含量为质量分数0.2-2％。

优选的，所述步骤s8中，氯苯溶液的旋涂时间为40-60秒，旋涂转速为1500-2500转/分钟，静置时间为5-10分钟，氯苯溶液中的pcbm的浓度1.5-2.5mg/ml。

优选的，所述步骤s9中，铝背电极的厚度为150-250纳米，蒸镀速率大于等于2埃/秒，所述银栅线电极的厚度为200-350纳米，蒸镀速率大于1埃/秒。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种新型硅-有机杂化太阳能电池，采用根据前述任一项所述的制备方法制备得到。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1、利用胶带的保护，可以将硅基片的背面完全封闭，不让刻蚀液进入，达到保护硅基片的背面的目的，且成品率达到85％，保护效果好，且刻蚀均匀的硅基片的正面可以使得做成的硅太阳能电池效率高；

2、在刻蚀好的硅基片上通过臭氧形成了二氧化硅层，可修饰硅表面的缺陷态，减少载流子的复合，通过在硅表面旋涂一层pedot:pss减反膜，可以在阻挡电子同时提高空穴的传输，有效增强光的吸收，改善n型硅与导电膜的接触；

3、高导电率的导电膜可以进一步地加大对光的捕获，可以极大程度的提高空穴的转移率，而背面的pcbm电子传输层可以改善硅基片与铝背电极的接触；

4、本发明的制备方法没有涉及到高温，而且采用了简单的旋涂工艺，可应用于工业化，在优化了材料的组分和各个制备工艺后，可以有效改善硅-有机杂化太阳能电池的性能。

附图说明

图1是本发明实施例的新型硅-有机杂化太阳能电池及其制备方法的流程示意图。

图2是图1所示的制备方法中，经过步骤s2处理后的硅基片的结构示意图。

图3是图1所示的制备方法中，经过步骤s5处理后的硅基片的结构示意图。

图4是图1所示的制备方法中，经过步骤s6处理后的硅基片的结构示意图。

图5是图1所示的制备方法中，经过步骤s7处理后的硅基片的结构示意图。

图6是图1所示的制备方法中，经过步骤s8处理后的硅基片的结构示意图。

图7是图1所示的制备方法中，经过步骤s9处理后得到新型硅-有机杂化太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，是本发明实施例的新型硅-有机杂化太阳能电池的制备方法。本实施例的制备方法包括：

s1：对硅基片进行清洗后，使用胶带完全覆盖粘贴硅基片的背面，并在粘贴后将胶带摁压贴牢。

在本实施例中，胶带是聚酯薄膜防酸碱胶带，粘性强，可以在硅基片沉浸在刻蚀液中后一直与硅基片的背面紧密粘贴，保护硅基片的背面不被刻蚀。

s2：将硅基片贴有胶带的一面与石英片紧密贴合，并使用夹子沿硅基片的边缘将硅基片与石英片夹紧。

在本实施例中，夹子采用聚四氟乙烯材料制成，可耐高温防酸碱，夹子的作用是把硅基片与石英片夹紧。石英片的作用是有利于刻蚀期间使硅基片的正面始终向上，进一步地让胶带和硅胶片的背面贴合，有助于硅基片的固定。石英片的尺寸可以略大于硅基片。

如图2所示，经过步骤s2处理后，得到的硅基片的结构示意图，图中，胶带2粘贴于硅基片1的背面，石英片3与胶带2紧密贴合，夹子4将硅基片1与石英片3夹紧。

s3：将硅基片正面朝上沉浸在刻蚀液中刻蚀硅基片的正面，以在硅基片的正面形成微纳结构。

其中，因石英片与夹子的重量可以使得硅基片在刻蚀液底部进行刻蚀，有利于硅基片的正面刻蚀均匀。在本实施例中，刻蚀液为60-80℃的碱性液体。

s4：在刻蚀完成后取下夹子，使用去离子水冲洗硅基片，将硅基片置于丙酮中进行浸泡处理后，取下胶带。

其中，将硅基片在丙酮中浸泡的作用在于弱化胶带粘性，以及去除粘在硅基片背面上的残留物。在本实施例中，硅基片在丙酮中的浸泡时间为10分钟。

s5：清洗并吹干硅基片，将硅基片放置在紫外臭氧装置中，对硅基片进行臭氧处理，以在硅基片的正面形成二氧化硅层。

在本实施例中，紫外臭氧装置中通入的氧气流量为2-5l/分钟，持续时间为3-30分钟。紫外臭氧装置会在通入氧气时打开紫外灯产生臭氧。经过步骤s5处理后硅基片的结构如图3所示，二氧化硅层5形成在硅基片1的正面。

s6：在硅基片的正面旋涂pedot:pss水溶液，以形成pedot:pss减反膜。

在本实施例中，pedot:pss水溶液的旋涂时间为30-55秒，旋涂转速为1000-2500转/分钟，pedot:pss减反膜的厚度为50-150纳米。经过步骤s6处理后硅基片的结构如图4所示，pedot:pss减反膜6形成在二氧化硅层5上。

s7：在pedot:pss减反膜表面旋涂含有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的pedot:pss溶液，并在氮气氛围中进行退火处理，以形成高导电率的导电膜。

在本实施例中，pedot:pss溶液的旋涂时间为40-60秒，旋涂转速为800-5000转/分钟，退火温度为110-135℃，退火时间为20-30分钟，pedot:pss溶液中的二甲基亚砜含量为质量分数2-8％、聚乙二醇辛基苯基醚含量为质量分数0.2-2％。经过步骤s7处理后硅基片的结构如图5所示，导电膜7形成在pedot:pss减反膜6上。

s8：在硅基片的背面旋涂含有pcbm的氯苯溶液，并在氮气氛围中常温静置，以形成pcbm电子传输层。

在本实施例中，氯苯溶液的旋涂时间为40-60秒，旋涂转速为1500-2500转/分钟，静置时间为5-10分钟，氯苯溶液中的pcbm的浓度1.5-2.5mg/ml。经过步骤s8处理后硅基片的结构如图6所示，pcbm电子传输层8形成硅基片1的背面。

s9：将硅基片置于高真空腔体中，使用热蒸镀在硅基片的背面形成铝背电极以及在硅基片的正面形成银栅线电极。

在本实施例中，铝背电极的厚度为150-250纳米，蒸镀速率大于等于2埃/秒，银栅线电极的厚度为200-350纳米，蒸镀速率大于1埃/秒。经过步骤s8处理后，得到新型硅-有机杂化太阳能电池，如图7所示，铝背电极9形成在pcbm电子传输层8上，多个银栅线电极10形成在导电膜7上。

下面通过一个具体实例对本发明的制备方法进行举例说明，该具体实例中，制备方法包括：

对硅基片进行清洗后，使用胶带完全覆盖粘贴硅基片的背面，边缘不留缝隙，并在粘贴后使用镊子将胶带摁压贴牢；

将硅基片贴有胶带的一面与石英片紧密贴合，并使用夹子沿硅基片的边缘将硅基片与石英片夹紧；

将硅基片正面朝上沉浸在60-80℃的碱性液体中刻蚀硅基片的正面，以在硅基片的正面形成微纳结构；

在刻蚀完成后取下夹子，使用去离子水冲洗硅基片，将硅基片置于丙酮中进行浸泡处理后，使用镊子撕掉胶带；

清洗并使用氮气枪吹干硅基片，将硅基片放置在紫外臭氧装置中，通入流量为2l/分钟的氧气，通入时间为22分钟，在此条件下对硅基片进行臭氧处理，以在硅基片的正面形成二氧化硅层；

在硅基片的正面旋涂4083型号的pedot:pss水溶液，旋涂转速为2000转/分钟，旋涂时间为40秒，以形成厚度为120纳米的pedot:pss减反膜；

在pedot:pss减反膜表面旋涂含有二甲基亚砜和聚乙二醇辛基苯基醚的pedot:pss溶液，旋涂转速为2500转/分钟，旋涂时间为40秒，并在氮气氛围中进行退火处理，退火温度为120℃，退火时间为30分钟，以形成高导电率的导电膜；

在硅基片的背面旋涂含有pcbm的氯苯溶液，旋涂转速为2000转/分钟，旋涂时间为40秒，并在氮气氛围中常温静置5分钟，以形成pcbm电子传输层；

将硅基片置于高真空腔体中，使用热蒸镀以2埃/秒的蒸镀速率在硅基片的背面形成厚度为200纳米的铝背电极以及以1埃/秒的蒸镀速率在硅基片的正面形成厚度为300纳米的银栅线电极。

本发明还提供一种新型硅-有机杂化太阳能电池，其采用前述实施例的制备方法制备得到，新型硅-有机杂化太阳能电池的结构如图7所示，其具有本发明实施例的制备方法所具有的有益效果。例如以前述具体实例制备得到的新型硅-有机杂化太阳能电池，开路电压为0.61v，短路电流密度为32.31ma，填充因子为62，光电转换效率为12.42％。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。