技術領域

本發明涉及光電半導體材料及太陽能電池領域，具體說是一種金屬硫化物納米晶敏化晶硅電池片及其制備方法。

技術背景

在傳統化石能源日益匱乏的背景下，太陽能將成為未來重要的能源來源。傳統晶硅電池是目前轉換效率最高，技術最為成熟的光伏器件，在光伏產業中占據主導地位，占目前世界光伏市場的90%以上。晶硅太陽能電池盡管有較高的光電轉換效率，但離理論值有一定的差距，仍具有很大的發展空間。因此,進一步提高晶硅電池的光電轉換效率、降低生產成本一直是此行業努力的目標。

制約晶硅電池光電轉換效率的主要原因是晶硅材料的太陽光吸收效率不高。晶體硅的能隙為1.12eV，高于能隙的太陽光子吸收后產生熱電子與空穴，通過隨后的聲子發射，這些熱載流子在它們的能量被捕獲之前迅速冷卻，導致大量的太陽光能以“熱電子”的形式損耗，限制了器件效率。另外，電池板具有一定的光反射作用，也造成部分太陽光能的損失。為了提高光伏器件的光電轉換效率，減少光反射損失，電池制造商對電池板采用表面織構化、表面蝕刻、發射區鈍化、分區摻雜等技術進行處理；雖然電池片的光吸收范圍有所拓展，但對太陽光能的吸收和轉換效率并沒有明顯提高；在晶硅材料上濺射SiN減反射涂層也大大增加生產成本。

半導體納米晶或量子點(QDs)具有吸收光譜寬、吸收系數高的特性，因而能夠作為優良的光吸收劑。因為量子點的量子限域效應，其價帶和導帶由準連續變成離散，電子能級之間的能量間距比晶格的最高聲子頻率大得多，熱載流子馳豫只能通過減慢多聲子發射而產生一個聲子“瓶頸”。所以，半導體納米晶或量子點具有減緩熱載流子冷卻速率和電子馳豫的作用，可使熱載流子在冷卻到帶邊之前，將它們捕獲利用。如果熱載流子的全部能量能夠被捕獲，則太陽-電能的轉換效率理論上可以達到66%以上。

上述結果啟示我們，如果將現有晶硅材料與半導體納米晶或量子點結合，形成QDs/Si異質結構，將是提高現有硅電池光電轉換效率的簡便漸變而有效地方法。因為：(1)很多無機量子點吸收光譜寬、吸收系數高，并且具有很高的光熱穩定性；(2)有些無機量子點的最低激發態電子的能量位于晶體硅的最低導帶之下，量子點中光生熱載流子可以產生多重激子；(3)量子點與晶硅材料界面形成異質結構，有利于載流子的分離并向晶硅基質轉移；(4)晶硅材料內存在因p-n結而產生的勢壘電場，更有利于深度擴散進入的光生載流子的分離。

發明內容

本發明的目的在于利用納米晶/量子點吸收光譜寬、吸收系數高的特性，制備對太陽光的吸收效率和熱載流子的分離與捕獲效率高的金屬硫化物納米晶敏化晶硅電池片，以提高晶硅太陽能電池的光電轉化效率。

為此，本發明的具體方案是：

一種金屬硫化物納米晶敏化晶硅電池片，包括晶硅電池片和原位生長在晶硅電池表面的致密的金屬硫化物納米晶層，金屬硫化物納米晶敏化層與硅基電池片形成QDs/Si異質結構，硅基電池片為單晶硅、多晶硅、非晶硅或微晶硅太陽能電池片。

上述金屬硫化物納米晶敏化晶硅電池片的制備方法為將經過預處理的硅片在金屬鹽溶液和硫源溶液中交替浸漬，在晶硅電池片表面原位生長一層均勻致密的金屬硫化物納米晶，具體包括以下步驟：

（1）納米晶在晶硅電池片表面的直接生長：配置0.01~0.1mol/L金屬源溶液和0.005~0.1mol/L硫源溶液；將經預處理的晶硅電池片投入金屬源超聲浸漬2~5min，取出后經60℃~100℃烘干或用吹風機吹干，再浸入硫源，30s~3min后取出，經100~200℃真空熱處理2-5min，此為一個制備周期，如此循環2~5個周期；

（2）清洗處理：將經過上述處理后的晶硅電池片投入二次蒸餾水，超聲清洗5~10min，以清除與晶硅電池片結合不牢固的金屬硫化物顆粒及表面雜質，烘干。

所述晶硅電池片經預處理表面活化，步驟為：將28%氨水、30%過氧化氫、二次蒸餾水按體積比1:1:4混合加熱，將晶硅電池片浸入混合液超聲清洗2-10min，再將處理后的晶硅電池片浸入20%~30%氫氟酸（氫氟酸用蒸餾水或無水乙醇稀釋）超聲腐蝕2-5min。

所述金屬源為過渡金屬鉛、錫、鋅、銅、銀、銻、鐵、鈷或鎳的硝酸鹽、醋酸鹽、硫酸鹽或氯化鹽；具體包括醋酸鉛、硝酸鉛、氯化錫、醋酸鋅、硫酸銅、醋酸銅、硝酸銅、氯化銅、硝酸銀、硫酸鐵、氯化鐵、硫酸亞鐵、氯化亞鐵、氯化銻、硫酸鈷、氯化鈷、硫酸鎳和氯化鎳。

所述硫源包括硫化鈉、硫代乙酰胺和硫脲。