专利名称：一种新型硅纳米线光电化学太阳能电池的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅纳米线太阳能电池，属于纳米材料与新能源技术领域。
背景技术：
面对全球能源短缺危机和生态环境的不断恶化，世界各国积极研究和开发利用可再生能 源，从而实现能源工业和社会的可持续发展。其中，太阳能以其独有的优势而成为可再生能 源的焦点。
目前商业化太阳能电池以单晶硅和非晶硅为主。当前，人们除大量应用单晶硅太阳电池 外[参见专利专利号JP5243597-A;专利号KR2002072736-A]，还研制成功了多晶硅电池[参 见专利专利号US5949123-A]、非晶硅电池[参见专利专利号JP2002124689-A;专利号 US6307146-B1]、薄膜太阳电池等各种新型的电池[参见专利专利号JP2002198549-A]，并且 还再不断地研制各种新材料、新结构的太阳电池[参见专利专利号DE19743692-A; DE19743692-A1]。在第三代低成本高转换效率的太阳能电池研发竞赛中，纳米技术作为建造 更好的太阳能电池的一种新方法出现了。 1991年，瑞士洛桑高等理工学院Gratzel教授率先 发明了二氧化钛纳米晶薄膜染料敏化太阳能电池[B. O，Regan, M. Gr欲zel, A low-cost, high efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature 1991, 353, 737-740],其光 电能量转换率在AM1.5模拟日光照射下可达7.1。/。，接近了多晶硅电池的转换效率。2005年 美国加州大学的杨培东教授课题组首次采用一维ZnO纳米线作为太阳能电池的阳极材料，该 电池的光电转换效率可达1.5% [M. Law, L.E. Greene, J.C. Johnson, et al. Nanowire dye-sensitized solar cells. Nature Materials 2005, 4, 455-459]。 2007年，美国圣母大学的Kamat 等人将二氧化钛的纳米颗粒吸附于单壁式纳米碳管上，利用纳米碳管来引导光生电荷载子的 流动，使电荷更容易到达电极成为电流，结果发现太阳能电池紫外光转换为电流的效率为仅 使用二氧化钛的两倍[A. Kongkanand, R.M. Dommguez, RV. Kamat, Single Wall Carbon Nanotube Scaffolds for Photoelectrochemical Solar Cells. Capture and Transport of Photogenerated Electrons Nano Letter 2007, 7,676-680 ]。与其它半导体材料相比较，硅材料含量丰富而且廉价， 同时与目前的半导体微加工工艺兼容，因此基于硅纳米结构的太阳能电池正受到越来越多的 重视。
在我们发明的大面积纳米硅线制备技术和太阳能电池技术基础上[参见中国专利 CN1382626;中国专利申请号2005100117533;中国专利申请号CN200810084205.7; Kuiqing Peng, Mingliang Zhang, Aijiang Lu, NingBew Wong, Ruiqin Zhang, Shuit-Tong Lee. Ordered Si
nanowire arrays via Nanosphere Lithography and Metal-induced etching. Applied Physics Letters 2007,90， 163123]，我们设计了一种基于我们具有自主知识产权技术制备的铂纳米颗粒修饰的 硅纳米线光电化学太阳能电池。相对传统的硅太阳能电池和硅纳米线太阳能电池，铂纳米颗 粒修饰的硅纳米线光电化学太阳能电池是一种新型的、具有更高光电转换效率的纳米结构太 阳能电池。
发明内容
本发明目的是设计和提供一种具有新型结构且光吸收能力强、光电转换效率高的硅纳米线 太阳能电池。
本发明提出的硅纳米线光电化学太阳能电池，它含有透光玻璃、透明氧化铟锡(ITO) 导电薄膜层、石墨层、绝缘封闭层、电解质溶液、铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层、n 型硅基底层、Ti/Pd/Ag金属膜欧姆接触电极层，其特征在于所述太阳能转换装置含有依次 相叠的下述各层，
(1) 透光玻璃层，其作用是透过太阳光；
(2) 透明ITO导电薄膜层，其作用是作为引出电极；
(3) 石墨层，其作用是作为辅助电极；
(4) 绝缘封闭层，其作用是防止电解质溶液泄漏；
(5) 电解质溶液，其作用是传递电荷；
(6) 铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层，位于n型硅基底之上，作为太阳能电池的 光活性层；
(7) n型硅基底层，位于Ti/Pd/Ag金属膜电极之上，其作用是作为太阳能电池的基区；
(8) Ti/Pd/Ag金属膜欧姆接触电极层，其作用是作为引出电极。
其主要特征在于电解质溶液层和n型硅基底之间是n型硅纳米线阵列层，而且n型硅纳 米线及其阵列表面覆盖有5—100nm的铂纳米颗粒。
本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅基底表面腐蚀制备出 大面积的n型纳米硅线阵列，随后用化学镀、电镀或者物理汽相沉积技术在硅纳米线及其阵 列表面沉积5 — 100nm的铂纳米颗粒；用真空蒸镀法在n型硅基底面先后沉积Ti、 Pd、 Ag金 属薄膜形成欧姆接触电极。利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明 导电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。随后将电解质溶液封闭在铂纳米颗粒修饰 的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得到了一个单片 的新型硅纳米线光电化学太阳能电池。
图1为本发明的硅纳米线光电化学太阳能电池结构示意图。
1透光玻璃层
2透明ITO导电薄膜层
3石墨层
4绝缘封闭层
5电解质溶液层
6铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层
7 n型硅基底层
8 Ti/Pd/Ag金属膜欧姆接触电极层具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用化学镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5—100nm的 铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜 形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导 电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将溴水和溴化氢电解质水溶液封闭在铂 纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得 到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用化学镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的 铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜 形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导 电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将碘和碘化氢电解质水溶液封闭在铂纳 米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得到 了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
3
本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用化学镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的 铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜 形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导 电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将含Me2Fc/Me2Fc+的LiC104-CH3OH电
解质溶液封闭在铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上 引出外引线，便得到了一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用电镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铂 纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜形 成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导电 薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将溴水和溴化氢电解质水溶液封闭在铂纳 米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得到 了一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用电镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 —100nm的铂 纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜形 成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导电 薄膜，并将--层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将碘和碘化氢电解质水溶液封闭在铂纳米 颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用电镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铂 纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜形 成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导电 薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将含Me2Fc/Me2Fc+的LiC104-CH3OH电解 质溶液封闭在铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引 出外引线，便得到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用物理汽相沉积技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三 种金属薄膜形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡
(ITO)透明导电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将溴水和溴化氢电解质 水溶液封闭在铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引 出外引线，便得到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用物理汽相沉积技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三 种金属薄膜形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡 (ITO)透明导电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将碘和碘化氢电解质水 溶液封闭在铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出 外引线，便得到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用物理汽相沉积技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铀纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三 种金属薄膜形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡 (ITO)透明导电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将含Me2Fc/Me2Fc+的 LiC104-CH3OH电解质溶液封闭在铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两 面的引出电极上引出外引线，便得到了一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用化学镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的 铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜 形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导 电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将含Fe^/F^+电解质溶液封闭在铂纳米 颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用电镀技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铂 纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三种金属薄膜形
成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡(ITO)透明导电 薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将含Fe^/F^+电解质溶液封闭在铂纳米颗 粒修饰的n型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外引线，便得到了一 个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
具体实施方式
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本发明用我们发明的纳米硅线及其阵列的制备方法，首先在n型硅衬底抛光面腐蚀制备 出大面积n型纳米硅线阵列，随后用物理汽相沉积技术在硅纳米线及其阵列表面沉积5 — 100nm的铂纳米颗粒；然后用高真空蒸镀法在n型硅衬底底面依次顺序沉积Ti、 Pd、 Ag三 种金属薄膜形成欧姆接触电极。随后利用磁控溅射技术在透光玻璃表面沉积一层氧化铟锡 (ITO)透明导电薄膜，并将一层石墨涂在ITO导电薄膜表面。最后将含F^+7F,电解质溶 液封闭在铂纳米颗粒修饰的ii型硅纳米线阵列层和石墨层之间。在两面的引出电极上引出外 引线，便得到了 一个单片的硅纳米线光电化学太阳能电池。
权利要求
1.一种新型硅纳米线光电化学太阳能电池，它含有透光玻璃、透明氧化铟锡(ITO)导电薄膜层、石墨层、绝缘封闭层、电解质溶液、铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层、n型硅基底层、Ti/Pd/Ag金属膜欧姆接触电极层，其特征在于所述太阳能转换装置含有依次相叠的下述各层，(1)透光玻璃层，其作用是透过太阳光；(2)透明ITO导电薄膜层，其作用是为引出电极；(3)石墨层，其作用是作为辅助电极；(4)绝缘封闭层，其作用是防止电解质溶液泄漏；(5)电解质溶液，其作用是传递电荷；(6)铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层，位于n型硅基底之上，作为太阳能电池的光活性层；(7)n型硅基底层，位于Ti/Pd/Ag金属膜电极之上，其作用是作为太阳能电池的基区；(8)Ti/Pd/Ag金属膜，其作用是作为欧姆接触电极层。其主要特征在于电解质溶液层(5)和n型硅基底(7)之间是n型硅纳米线阵列层，该层中的硅纳米线及其阵列表面覆盖有5—100nm的铂纳米颗粒。
全文摘要
本发明“一种新型硅纳米线光电化学太阳能电池”公开了一种属于纳米材料与新能源技术领域的硅纳米线太阳能电池装置。其特征在于所述电解质溶液层和n型硅基底之间是铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层。所述太阳能电池含有依次相叠的各层为透光玻璃层，其作用是透过太阳光；透明氧化铟锡导电薄膜层，作为引出电极；石墨层，作为辅助电极；绝缘封闭层，其作用是防止电解质溶液泄漏；电解质溶液，其作用是传递电荷；铂纳米颗粒修饰的n型硅纳米线阵列层，位于n型硅基底之上，作为太阳能电池的光活性层；n型硅基底层，作为太阳能电池的基区；Ti/Pd/Ag金属膜欧姆接触电极层，作为引出电极。本发明提供的这种新型结构的太阳能转换装置，光吸收能力强，光电转换效率高。
文档编号H01M14/00GK101369493SQ200810211358
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月23日 优先权日2008年9月23日
发明者彭奎庆, 新 王 申请人:北京师范大学