一种实现准全向硅太阳电池的方法及准全向分析方法

摘要

本发明公开了一种实现准全向硅太阳电池的方法，涉及太阳电池领域，包括以下步骤：步骤一，将硅片置于含金属离子溶液中，使硅片表面沉积一层金属纳米颗粒，得到附有金属纳米颗粒的硅片；步骤二，将所述附有金属纳米颗粒的硅片浸入酸性或碱性溶液中，使所述硅片表面形成纳米结构，得到表面附有纳米结构的硅片；步骤三，将所述表面附有纳米结构的硅片浸泡于酸性溶液中，去除表面附着的金属纳米颗粒，得到制绒的硅片；步骤四，将所述表面附有纳米结构的硅片制备成太阳电池。本发明还提供了太阳电池的准全向分析方法。本发明的方法提升太阳电池对不同角度入射光的准全向吸收性能，增加太阳电池的日或年发电量。

权利要求

1.一种实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将硅片置于含金属离子溶液中，使硅片表面沉积一层金属纳米颗粒，得到附有金属纳米颗粒的硅片；

步骤二，将所述附有金属纳米颗粒的硅片浸入酸性溶液或碱性溶液中，使所述硅片表面形成纳米结构，得到表面附有纳米结构的硅片；

步骤三，将所述表面附有纳米结构的硅片浸泡于酸性溶液中，去除表面附着的金属纳米颗粒，得到制绒的硅片；

步骤四，将所述表面附有纳米结构的硅片制备成太阳电池；

步骤五，对所述太阳电池进行准全向分析，包括以下步骤：

1)测试所述太阳电池的性能参数，所述性能参数包括开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率和不同入射角下的外量子效率；

2)根据所述性能参数计算得出所述太阳电池在一天中不同入射角下的短路电流密度，根据所述性能参数及所述短路电流密度计算得出所述太阳电池的反向饱和电流密度和在一天中不同入射角下的开路电压；

3)根据所述短路电流密度及所述开路电压计算得出所述太阳电池在一天中不同入射角下的发电功率，通过积分的方式计算得出所述太阳电池一天内的发电总量；

4)采用对比的方法分析所述太阳电池的准全向性，所述对比的方法是指选取对比太阳电池，并经过所述步骤1)，所述步骤2)和所述步骤3)计算得到所述对比太阳电池的发电功率和发电总量，所述太阳电池和所述对比太阳电池的发电功率进行对比的方法及所述太阳电池和所述对比太阳电池的发电总量进行对比的方法。

2.如权利要求1所述的实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，所述步骤三中的酸性溶液为硝酸溶液。

3.如权利要求1所述的实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，所述步骤四中的太阳电池为同质结太阳电池或异质结太阳电池。

4.如权利要求3所述的实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，所述同质结太阳电池的工艺流程设置为将所述表面附有纳米结构的硅片依次经过扩散、刻蚀、去磷硅玻璃、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、丝网印刷及烧结。

5.如权利要求3所述的实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，所述异质结太阳电池的工艺流程设置为将所述表面附有纳米结构的硅片经过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、物理气相沉积(PVD)、丝网印刷及烧结。

6.如权利要求1所述的实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，所述步骤五中的所述开路电压、所述短路电流密度、所述填充因子和所述转换效率在AM1.5光谱下进行测试。

7.如权利要求1所述的实现准全向硅太阳电池的方法，其特征在于，所述步骤五中的所述不同入射角下的外量子效率在量子效率测试仪上进行测试。

说明书

一种实现准全向硅太阳电池的方法及准全向分析方法

技术领域

[0001] 本发明涉及太阳电池领域，尤其涉及一种实现准全向硅太阳电池的方法。

背景技术

[0002] 由于地球的自转和公转，太阳光对太阳电池器件的入射角在不同季节和一天内的不同时刻都会发生变化。一般随入射角的增大，反射光损失越严重，造成发电效率的损失。所以如何实现太阳电池器件极大化捕获每天/每年的太阳光子数量，对有效提升太阳电池的日/年发电量显得意义非凡。目前，大型光伏电站一般可采用追光系统解决这一问题，但其成本较高。此外，随着光伏电站在全球的大规模开发，空间资源越来越受到各方的重视，光伏电站在各类新应用环境，如水面、屋顶、山地、陡坡等越来越多。但由于地理环境限制，追光系统难以在此类光伏电站中使用。

[0003] 现有的太阳电池采用工业生产方法进行制绒及电池制备的，表面绒面为微米金字塔结构。所述微米金字塔在标准测试条件下(正入射)能够展现极为优异的表面减反效果，但在实际日常发电过程中(非正入射情况)，其对非正入射光的减反效果较差。

[0004] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种实现准全向硅太阳电池的方法，可以提升太阳电池对不同角度入射光的准全向吸收性能，增加太阳电池的日或年发电量。

发明内容

[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提升太阳电池对不同角度入射光的准全向吸收性能，增加太阳电池的日或年发电量。

[0006] 为实现上述目的，本发明提供了一种实现准全向硅太阳电池的方法，本发明方法将硅片表面制绒，形成表面附有纳米结构的硅片。

[0007] 制绒是制造晶硅电池的一道工艺，有效的绒面结构使得入射光在硅片表面多次反射和折射，增加了光的吸收，降低了反射率，有助于提高电池的性能。

[0008] 一种实现准全向硅太阳电池的方法，包括以下步骤：

[0009] 步骤一，将硅片置于含金属离子溶液中，使硅片表面沉积一层金属纳米颗粒，得到附有金属纳米颗粒的硅片；

[0010] 步骤二，将所述附有金属纳米颗粒的硅片浸入酸性或碱性溶液中，使所述硅片表面形成纳米结构，得到表面附有纳米结构的硅片；

[0011] 步骤三，将所述表面附有纳米结构的硅片浸泡于酸性溶液中，去除表面附着的金属纳米颗粒，得到制绒的硅片；

[0012] 步骤四，将所述表面附有纳米结构的硅片制备成太阳电池。

[0013] 进一步地，所述步骤三中的酸性溶液为硝酸溶液。

[0014] 进一步地，所述步骤四中的太阳电池为同质结太阳电池或异质结太阳电池。

[0015] 进一步地，所述同质结太阳电池的工艺流程设置为将所述表面附有纳米结构的硅片依次经过扩散、刻蚀、去磷硅玻璃、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、丝网印刷及烧结。

[0016] 进一步地，所述异质结太阳电池的工艺流程设置为将所述表面附有纳米结构的硅片经过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、物理气相沉积(PVD)、丝网印刷及烧结。

[0017] 本发明也提供了一种所述方法制备的太阳电池的准全向分析方法，包括以下步骤：

[0018] 步骤一，测试所述太阳电池的性能参数；

[0019] 步骤二，根据所述性能参数计算得出所述太阳电池在一天中不同入射角下的短路电流密度；

[0020] 根据所述性能参数及所述短路电流密度计算得出所述太阳电池的反向饱和电流密度和在一天中不同入射角下的开路电压；

[0021] 步骤三，根据所述短路电流密度及所述开路电压计算得出所述太阳电池在一天中不同入射角下的发电功率；

[0022] 通过积分的方式计算得出所述太阳电池一天内的发电总量；

[0023] 步骤四，采用对比的方法分析所述太阳电池的准全向性；所述对比的方法是指选取对比太阳电池，并经过所述步骤一，所述步骤二和所述步骤三计算得到所述对比太阳电池的发电功率和发电总量，所述太阳电池和所述对比太阳电池的发电功率进行对比的方法及所述太阳电池和所述对比太阳电池的发电总量进行对比的方法。

[0024] 所述对比太阳电池的制绒，采用工业生产方法进行制绒，为氢氧化钠，去离子水混合液体系制绒，表面绒面为微米金字塔结构。

[0025] 进一步地，所述步骤一的性能参数包括开路电压、短路电流密度、填充因子、转换效率和不同入射角下的外量子效率。

[0026] 进一步地，所述开路电压、所述短路电流密度、所述填充因子和所述转换效率在AM1.5光谱下进行测试。

[0027] 进一步地，所述不同入射角下的外量子效率在量子效率测试仪上进行测试。

[0028] 所述步骤二中所述计算电池的短路电流密度的计算公式为：

[0029] JSC(θ)＝q∫QE(λ,θ)Γ(λ,θ)cosθdλ

[0030] 其中，θ-入射角，λ-波长，Jsc(θ)-太阳电池在一天中不同入射角下的短路电流密度，QE(λ,θ)-太阳电池在不同波长、不同入射角下的外量子效率值。

[0031] 所述步骤二中所述计算电池的反向饱和电流密度和开路电压的计算公式为：

[0032]

[0033] 其中：k-玻尔兹曼常数，T-工作温度，q-元电荷，J0-反向饱和电流密度，Voc(θ)-太阳电池在一天中不同入射角下的开路电压。将所述步骤一中的太阳电池性能参数代入此公式，便能得到太阳电池工作时的反向饱和电流密度J0。

[0034] 步骤三中的所述计算电池的发电功率的计算公式为：

[0035] Pout(θ)＝VOC(θ)JSC(θ)FF

[0036] 其中：Voc(θ)-太阳电池在一天中不同入射角下的开路电压，Jsc(θ)-太阳电池在一天中不同入射角下的短路电流密度，FF-太阳电池的填充因子，Pout(θ)-太阳电池在一天中不同入射角下的输出功率。

[0037] 技术效果：

[0038] 本发明的方法提升太阳电池对不同角度入射光的准全向吸收性能，增加太阳电池的日或年发电量。

[0039] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

[0040] 图1是本发明的一个较佳实施例的实现准全向硅太阳电池的方法流程图；

[0041] 图2是本发明的一个较佳实施例的硅片表面制绒流程图；

[0042] 图3是本发明的一个较佳实施例的硅片纳米金字塔绒面的扫描电镜图；

[0043] 图4是本发明的一个较佳实施例的硅片纳米金字塔绒面的粒径分布图；

[0044] 图5是本发明的对比电池的硅片微米金字塔绒面的扫描电镜图；

[0045] 图6是本发明的对比电池的硅片微米金字塔绒面的粒径分布图；

[0046] 图7是本发明的一个较佳实施例的太阳电池在0-75°入射角下的外量子效率曲线；

[0047] 图8是本发明的对比太阳电池在0-75°入射角下的外量子效率曲线；

[0048] 图9是本发明的一个较佳实施例的太阳电池的发电功率相对对比太阳电池的相对提升率曲线；

[0049] 图10是本发明的一个较佳实施例的太阳电池在一天内相对对比太阳电池的发电总量的相对提升率；

[0050] 图11是本发明的一个较佳实施例的硅片圆坑状硅纳米绒面的扫描电镜图；

[0051] 图12是本发明的一个较佳实施例的太阳电池在0-80°入射角下的外量子效率曲线；

[0052] 图13是本发明的一个较佳实施例的太阳电池在不同入射角下的短路电流密度曲线。

具体实施方式

[0053] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

[0054] 在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

[0055] 常规太阳电池的制绒，采用工业生产方法进行制绒，为氢氧化钠，去离子水混合液体系制绒，表面绒面为微米金字塔结构，作为以下实施例1，实施例2的对比电池基础。

[0056] 如图1所示，为本发明的一个较佳实例的实现准全向硅太阳电池的方法的流程图具体为：

[0057] S1，使硅片表面附着纳米金属颗粒；

[0058] S2，使硅片表面形成纳米结构；

[0059] S3，去除硅片纳米结构表面附着的金属颗粒；

[0060] S4，制备太阳电池。

[0061] 实施例1：

[0062] 实施例1-1：一种较佳实例实现准全向硅太阳电池的方法

[0063] 图2为本发明较佳实施例的硅片表面制绒流程图，步骤一，按照以下摩尔浓度配置溶液：氢氟酸4mol/L、硝酸银0.0078mol/L，将该溶液加入制绒槽中，搅拌均匀。将多晶硅片置于此溶液中，反应温度为20℃，反应时间为10秒。反应结束后将多晶硅片取出，并用去离子水对硅片表面进行清洗。然后，按照以下浓度配置碱制绒液，加入制绒槽中，搅拌均匀：氢氧化钠浓度1.1％。将上述处理后的多晶硅片置于此碱制绒液中，反应温度为60℃，反应时间为25分钟。反应结束后将多晶硅片取出，并用去离子水对硅片表面进行清洗。将上述硅片浸入30vol％的硝酸溶液中10分钟，去除硅表面的银纳米颗粒。然后用去离子水清洗硅片。至此，可得到表面干净的纳米金字塔绒面。图3是一个较佳实施例的硅片纳米金字塔绒面的扫描电镜图，图4为一个较佳实施例的硅片纳米金字塔绒面的粒径分布图，绒面的平均尺寸为503纳米。

[0064] 步骤二，将上述制绒后的单晶硅片经过扩散、刻蚀、去磷硅玻璃、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、丝网印刷及烧结制备成同质结太阳电池。

[0065] 实施例1-2：实施例1-1所述方法制备的太阳电池的准全向分析方法

[0066] 步骤一，测试所述太阳电池在AM1.5光谱下的电池性能：开路电压641mV、短路电流密度37.8mA/cm2、填充因子80.9％、转换效率19.6％。

[0067] 将采用工业生产方法制备的微米金字塔绒面硅片经过实施例1-1中的步骤二工艺制备成的太阳电池作为对比太阳电池，图5是对比电池的硅片微米金字塔绒面的扫描电镜图；图6为对比电池的硅片微米金字塔绒面的粒径分布图，绒面的平均尺寸为4.9微米。测试对比电池性能：开路电压636mV、短路电流密度38.5mA/cm2、填充因子80.3％、转换效率19.7％。用量子效率测试仪(QEX10设备)测试所述太阳电池与对比太阳电池在0-75°入射角下的外量子效率，得到不同入射角下的外量子效率曲线，如图7和图8所示。

[0068] 步骤二，根据公式JSC(θ)＝q∫QE(λ,θ)Γ(λ,θ)cosθdλ计算得出所述太阳电池池与对比太阳电池在不同入射角下的短路电流密度；根据公式 及计算所得的短路电流密度计算得出所述太阳电池池与对比太阳电池的反向饱和电流密度，分别为6.7*10-10mA/cm2和8.2*10-10mA/cm2；及不同入射角下的开路电压。

[0069] 步骤三，根据公式Pout(θ)＝VOC(θ)JSC(θ)FF计算得出所述太阳电池与对比太阳电池在一天中不同时刻(不同入射角下)的发电功率，得到所述太阳电池相对对比太阳电池发电功率的相对提升率曲线，如图9所示；并积分得出一天内所述太阳电池相对对比太阳电池发电总量的相对提升率曲线，如图10所示。可以看到，尽管所述太阳电池相对对比太阳电池的测试效率更低，但其在一天中的发电量相对对比太阳电池能够提升1.5％-2.0％，具有更优的准全向发电性能。

[0070] 实施例2：

[0071] 实施例2-1：另一种较佳实现准全向硅太阳电池的方法

[0072] 步骤一，按照以下摩尔浓度配置溶液：氢氟酸4mol/L、硝酸银0.0078mol/L，将该溶液加入制绒槽中，搅拌均匀。将多晶硅片置于此溶液中，反应温度为20℃，反应时间为10秒。反应结束后将多晶硅片取出，并用去离子水对硅片表面进行清洗。然后，按照以下浓度配置碱制绒溶液，加入制绒槽中，搅拌均匀：氢氧化钠浓度1.1％。将上述处理后的多晶硅片置于此碱制绒溶液中，反应温度为60℃，反应时间为25分钟。反应结束后将多晶硅片取出，并用去离子水对硅片表面进行清洗。将上述硅片浸入30vol％的硝酸溶液中10分钟，去除硅表面的银纳米颗粒。然后用去离子水清洗硅片。至此，可得到表面干净的纳米金字塔绒面。

[0073] 步骤二，将上述制绒后的单晶硅片经过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、物理气相沉积(PVD)、丝网印刷及烧结制备成异质结太阳电池。

[0074] 实施例2-2：实施例2-1所述方法制备的太阳电池的准全向分析方法

[0075] 步骤一，测试所述太阳电池在AM1.5光谱下的电池性能：开路电压729mV、短路电流密度36.1mA/cm2、填充因子76.0％、转换效率20.0％。

[0076] 将采用工业生产方法制备的微米金字塔绒面硅片经过实施例2-1中的步骤二工艺制备成的太阳电池作为对比太阳电池，测试对比太阳电池性能：开路电压720mV、短路电流密度37.2mA/cm2、填充因子76.7％、转换效率20.5％。用量子效率测试仪(QEX10设备)测试所述太阳电池与对比太阳电池在0-75°入射角下的外量子效率，得到不同入射角下的外量子效率曲线。

[0077] 步骤二，根据公式JSC(θ)＝q∫QE(λ,θ)Γ(λ,θ)cosθdλ计算得出所述太阳电池池与对比太阳电池在不同入射角下的短路电流密度；根据公式 及计算所得的短路电流密度计算得出所述太阳电池池与对比太阳电池的反向饱和电流密度，分别为2.1*10-11mA/cm2和3.1*10-11mA/cm2；及不同入射角下的开路电压；

[0078] 步骤三，根据公式Pout(θ)＝VOC(θ)JSC(θ)FF计算得出所述太阳电池与对比太阳电池在一天中不同时刻(不同入射角下)的发电功率，得到所述太阳电池相对对比太阳电池发电功率的相对提升率曲线，如图9所示；并积分得出一天内所述太阳电池相对对比太阳电池发电总量的相对提升率曲线，如图10所示。可以看到，尽管所述太阳电池相对对比太阳电池的测试效率更低，但其在一天中的发电量相对对比太阳电池能够提升1.0％-2.5％，具有更优的准全向发电性能。

[0079] 实施例3：

[0080] 实施例3-1：另一种较佳实现准全向硅太阳电池的方法

[0081] 步骤一，按照以下摩尔浓度配置溶液：氢氟酸5mol/L、过氧化氢2.5mol/L、硝酸银0.001mol/L，将该溶液加入制绒槽中，搅拌均匀。将多晶硅片置于此溶液中，反应温度为35℃，反应时间为5分钟。反应结束后将多晶硅片取出，并用去离子水对硅片表面进行清洗。然后按照以下体积百分比配置混合酸制绒液，加入制绒槽中，搅拌均匀：氢氟酸10vol％；硝酸
50vol％；去离子水40vol％。将上述处理后的多晶硅片置于此混合酸溶液中，反应温度为8℃，反应时间为1分钟。反应结束后将多晶硅片取出，并用去离子水对硅片表面进行清洗。将上述硅片浸入30vol％的硝酸溶液中10分钟，去除硅表面的银纳米颗粒。然后用去离子水清洗硅片。至此，可得到表面干净的圆坑状硅纳米绒面，如图11所示。

[0082] 步骤二，将上述制绒后的多晶硅片经过扩散、刻蚀、去磷硅玻璃、PECVD、丝网印刷及烧结制备成同质结太阳电池。

[0083] 实施例3-2：实施例3-1所述方法制备的太阳电池的准全向分析方法

[0084] 步骤一，用量子效率测试仪(QEX10设备)测试所述太阳电池在0-80°入射角下的外量子效率，得到不同入射角下的外量子效率曲线，如图12所示。

[0085] 步骤二，根据公式JSC(θ)＝q∫QE(λ,θ)Γ(λ,θ)cosθdλ计算得出所述太阳电池在不同入射角下的短路电流密度曲线，如图13所示。可以看到，所述太阳电池能够在0-70°入射角下保持优异的光电性能，具有准全向性。

[0086] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。