專利名稱：碳納米管太陽能電池及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于太陽能光伏技術領域，具體涉及一種碳納米管太陽能電池，以及該碳納米管太陽能電池的制備方法。
背景技術：
隨著能源短缺，環(huán)境污染和溫室效應等問題的日益突出，高效利用太陽能這一新興的清潔能源顯得愈發(fā)重要。太陽能的利用方式包括光能-熱能轉(zhuǎn)換、光能-電能轉(zhuǎn)換、光能-化學能轉(zhuǎn)換。太陽能電池是光能-電能轉(zhuǎn)換的典型例子，其是利用半導體材料的光生伏特原理制成的。目前，占有主導商業(yè)地位的太陽能電池為硅太陽能電池，其轉(zhuǎn)化效率為14%-17%左右，晶體硅太陽能電池制造工藝復雜，完全使用硅作為光電轉(zhuǎn)換的材料，要獲得高轉(zhuǎn)換效率的硅太陽能電池，需要制備出高純度的原料硅。目前原料硅的制備工藝遠不能滿足太陽能電池發(fā)展的需要，并且制備原料硅需要消耗大量的電能，這提高了硅太陽能電·池的成本，并且對環(huán)境產(chǎn)生很大的污染。因此發(fā)展其它類型的太陽能電池，就顯得具有很重要的意義。碳納米管是由一層或者數(shù)層石墨層片按照一定的螺旋角卷曲而成的納米材料。理論計算和實測結(jié)果表面，根據(jù)碳納米管的幾何結(jié)構不同，碳納米管既可能是導體，也可能是半導體，其能隙寬度可以從O改變到與硅相當，這表明了碳納米管將在半導體領域扮演重要的角色。基于碳納米管的光電轉(zhuǎn)換研究早在2005年就已經(jīng)開展，早期的研究工作主要是基于碳納米管復合材料太陽能電池的研究，其中包括碳納米管與聚合物等復合物作為光電轉(zhuǎn)換的材料。當今主要的碳納米管太陽能電池的基本原理是利用在硅基底上生長碳納米管薄膜層，形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構，光照時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生的空穴和電子在內(nèi)建電場的作用下分離，電子從硅基底經(jīng)外回路傳到碳納米管薄膜層端與空穴復合，從而產(chǎn)生電流。但是，此種碳納米管太陽能電池中，受光照激發(fā)而分離的空穴和電子中，有相當一部分的電子會直接流向碳納米管薄膜層端，形成不能為我們所利用的暗電流，進而降低了電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管太陽能電池，其通過在碳納米管薄膜層與硅基底之間形成一層薄氧化層，阻止電子直接流向碳納米管薄膜層端，從而提高碳納米管太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的目的還在于提供一種制備上述碳納米管太陽能電池的制備方法。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的之一，本發(fā)明提供一種碳納米管太陽能電池，該太陽能電池包括
硅基底；
碳納米管薄膜；
氧化層，設置于硅基底和碳納米管薄膜之間；
負電極，設置在硅基底的遠離碳納米管薄膜一側(cè)的表面，并與所述表面歐姆接觸。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述氧化層選自氧化硅或者氧化鋁，所述氧化層的厚度范圍為I 4納米，所述氧化層的實現(xiàn)方式包括化學氧化或物理沉積。作為本發(fā)明的進一步改進，所述碳納米管薄膜選自順排碳納米管薄膜、雜亂半導體型碳納米管薄膜、金屬型碳納米管薄膜中的一種或者幾種的組合，所述碳納米管薄膜的厚度范圍為30 400納米。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述順排碳納米管薄膜包括順排多壁、少壁、單壁碳納米管薄膜；其中順排多壁、少壁碳納米管薄膜可從紡絲碳納米管陣列抽出制得，順排單壁碳納米管薄膜通過在刻蝕暴露出的硅表面定向生長制得。作為本發(fā)明的進一步改進，所述雜亂半導體型碳納米管薄膜和金屬型碳納米管薄膜通過噴涂法或真空抽濾法制得。作為本發(fā)明的進一步改進，所述硅基底的導電類型應為η型，其電導率范圍在
O.02-30 Ω cm 之間。作為本發(fā)明的進一步改進，所述負電極選自鎵銦合金，鉻/鋁合金，鈦/鋁合金中的一種或者幾種的組合。為實現(xiàn)上述另一發(fā)明目的，本發(fā)明還提供一種碳納米管太陽能電池的制備方法，該方法包括以下步驟
選取具有第一氧化層表面的娃片作為基底；
使用光阻劑或膠帶覆蓋部分所述第一氧化層表面并使其余部分的第一氧化層表面暴
露；
采用濕法刻蝕將所述暴露的第一氧化層表面刻蝕，以露出新鮮硅表面；
在所述暴露出的新鮮硅表面上形成第二氧化層表面；
至少在所述第二氧化層表面上鋪設至少一層碳納米管薄膜，并用導電膠與所述碳納米管薄膜連接以形成正電極；
在所述硅基底的遠離碳納米管薄膜的一側(cè)表面制作與其歐姆接觸的負電極。作為本發(fā)明的進一步改進，所述第一氧化層的厚度范圍為300 1000納米。作為本發(fā)明的進一步改進，所述碳納米管薄膜進一步鋪設至第一氧化層表面上，所述導電膠與碳納米管薄膜在所述第一氧化層表面上實現(xiàn)連接。本發(fā)明的有益效果是通過在碳納米管太陽能電池的硅基底和碳納米管薄膜之間設置一層薄氧化層，阻止電子直接流向碳納米管薄膜層端，抑制了電池中不可利用的暗電流的形成。此外，作為正極材料的碳納米管薄膜可以采用順排碳納米管薄膜、雜亂半導體型碳納米管薄膜、金屬型碳納米管薄膜中的一種或者幾種的組合，從而使電池效率相較于傳統(tǒng)碳納米管太陽能電池效率更高。另外，本發(fā)明納米管太陽能電池的制備方法簡單，適合大面積地制備。


圖I是本發(fā)明碳納米管太陽能電池一具體實施方式
中使用的硅片的截面示意圖； 圖2是本發(fā)明碳納米管太陽能電池一具體實施方式
中的結(jié)構示意 圖3是圖2所示的碳納米管太陽能電池在標準光源(ΑΜ1. 5，100 mW/cm2)以及暗條件下測試的電流密度-電壓曲線；圖4是本發(fā)明碳納米太陽能電池在一具體實施方式
中兩個電池的并聯(lián)示意 圖5是本發(fā)明碳納米太陽能電池在一具體實施方式
中兩個電池的串聯(lián)示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖所示的各實施方式對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領域的普通技術人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。參圖I和圖2，分別為本發(fā)明碳納米管太陽能電池一具體實施方式
中所需的硅片10和制作完成的碳納米管太陽能電池的示意圖。所述碳納米管太陽能電池包括硅基底12、碳納米管薄膜30、設置于硅基底12和碳納米管薄膜30之間的氧化層20、負電極50。其中，所述氧化層20選自氧化硅或者氧化鋁，優(yōu)選為氧化硅，其厚度范圍控制在I 4納米。氧化層20可以通過化學氧化或者物理沉積的方式形成。通過在碳納米管薄膜30和硅基底12之間設置氧化層20，相當于在碳納米管薄膜30和硅基底12間形成了一個高勢壘區(qū)，可·以有效阻止由光激發(fā)生成的電子直接向碳納米管薄膜30傳輸，抑制了不可利用的暗電流的形成，提高了電池轉(zhuǎn)換效率。本實施方式中，碳納米管太陽能電池的碳納米管薄膜30包括順排碳納米管薄膜、雜亂半導體型碳納米管薄膜、金屬型碳納米管薄膜中的一種或者幾種的組合。其中，順排碳納米管薄膜包括順排多壁、少壁、單壁碳納米管薄膜，順排多壁、少壁碳納米管薄膜由紡絲碳納米管陣列直接抽出制得，順排單壁碳納米管薄膜在刻蝕暴露出的硅表面定向生長制得；雜亂半導體型碳納米管薄膜和金屬型碳納米管薄膜通過噴涂法或真空抽濾法制得。在實際的生產(chǎn)過程中，可以根據(jù)不同的功能需要選擇不同碳納米管薄膜或者其組合，并且，必要時可以鋪設多層碳納米管薄膜。所述碳納米管薄膜30的厚度范圍控制在為30 400納米，以達到較佳的電池性能。上述方式制備的不同碳納米管薄膜30，其工藝流程簡單，適合大面積的制作。本實施方式中，碳納米管太陽能電池的硅基底12的導電類型為η型，其電導率范圍在O. 02-30 Ω cm之間。所述負電極50選自鎵銦合金，鉻/鋁合金，鈦/鋁合金中的一種或者幾種的組合，并且所述負電極50和硅基底12形成歐姆接觸。在上述實施方式中，碳納米管薄膜30作為電池的正電極，硅基底12與碳納米管薄膜30組合形成異質(zhì)結(jié)，其中在順排碳納米管或金屬性碳納米管與硅片間形成肖特基結(jié)，而雜亂半導體型碳納米管與硅片間形成異質(zhì)ρ-η結(jié)。光照時，所述異質(zhì)結(jié)結(jié)區(qū)的空穴和電子在內(nèi)建電場的作用下分離，電子從硅基底12經(jīng)外回路負載傳到碳納米管薄膜30端與空穴復合；并且由于氧化層20所形成的高勢壘區(qū)的存在，有效抑制了電子不經(jīng)外回路負載而直接傳到碳納米管薄膜30端，提高了電池的轉(zhuǎn)換效率。以下介紹用于制備上述的碳納米管太陽能電池的制備方法的各具體實施例。實施例I
取一片具有一定厚度的第一氧化層的η型硅片(電導率4Ω cm),優(yōu)選地，所述第一氧化層采用氧化硅，所述的第一氧化層厚度范圍為300 1000納米，本實施例優(yōu)選為800納米。將所述硅片分別經(jīng)丙酮，乙醇，去離子水各超聲5分鐘，用于去除硅片表面的雜質(zhì)，然后利用光刻法在處理干凈的硅片上做出方格狀暴露第一氧化層的圖案，圖案面積為O. I cm2 ；所謂的光刻法即通過在硅片表面涂覆正性/負性光阻劑，再透過對應的掩膜板進行部分曝光，然后清洗掉被曝光/未被曝光的區(qū)域的正性/負性光阻劑，以達到部分暴露所述第一氧化硅層的目的。采用濕法刻蝕(BOE)將暴露的第一氧化層刻蝕，露出新鮮硅表面，并將光刻膠通過丙酮洗掉；再通過電子束蒸發(fā)的辦法在在新鮮硅表面蒸發(fā)一層厚度在2納米的第二氧化層，蒸發(fā)速率在O. 01nm/s,并且優(yōu)選地第二氧化層也采用氧化硅；然后將從可紡絲碳納米管陣列中拉出碳納米管薄膜鋪在第二氧化層和第一氧化層表面，必要的時候可以鋪多層，本實施例中采用3層。然后在氧化硅層較厚的地方(即第一氧化層區(qū)域)用導電膠將所述較厚的氧化硅層與碳納米管薄膜連接并引電極線；在硅片未帶氧化硅層的一面涂一層鎵銦合金做歐姆接觸電極，并用銀膠引線。至此電池制作完畢，在AMl. 5 100mW/cm2標準光譜下測試。實施例2
取一片帶SOOnm厚第一氧化層的η型硅片(電導率4Ω cm),優(yōu)選地，所述第一氧化層采用氧化硅。將所述硅片分別經(jīng)丙酮，乙醇，去離子水各超聲5分鐘，用于去除硅片表面的 雜質(zhì)，然后利用膠帶在處理干凈的硅片上圍成方格狀暴露第一氧化層的圖案，圖案面積為Icm2，本實施例中膠帶的作用與第一實施例中光阻劑的作用相同，在此不再予以贅述。采用濕法刻蝕(BOE)將暴露的第一氧化層刻蝕，露出新鮮硅表面，并將膠帶揭掉；通過電子束蒸發(fā)的辦法在新鮮硅表面蒸發(fā)一層厚度在2納米的第二氧化層，蒸發(fā)速率在O. 01nm/s,并且優(yōu)選地第二氧化層也采用氧化硅；將從抽濾得到的金屬性單壁碳納米管薄膜鋪在第二氧化層和第一氧化層表面。在氧化硅層較厚的地方(即第一氧化層區(qū)域)用導電膠將所述較厚氧化硅層與碳納米管連接并引電極線；在硅片未帶氧化硅層的一面濺射鍍10納米鈦以及200納米鋁，300度處理，做歐姆接觸電極，并用銀膠引線。至此電池制作完畢，在AMl. 5 IOOmff/cm2標準光譜下測試。實施例3
取一片帶SOOnm厚氧化硅層的η型硅片(電導率2Ω cm),優(yōu)選地，所述第一氧化層采用氧化硅。將所述硅片分別經(jīng)丙酮，乙醇，去離子水各超聲5分鐘，用于去除硅片表面的雜質(zhì)，然后利用膠帶在處理干凈的硅片上圍成方格狀暴露第一氧化層的圖案，圖案面積為
0.1 cm2。采用濕法刻蝕(BOE)將暴露的第一氧化層刻蝕，露出新鮮硅表面，并將膠帶揭掉；通過電子束蒸發(fā)的辦法在新鮮硅表面蒸發(fā)一層厚度在2納米的第二氧化層，蒸發(fā)速率在
O.01nm/s,并且優(yōu)選地第二氧化層也采用氧化硅；然后將從抽濾得到的半導體單壁碳納米管薄膜鋪在第二氧化層和第一氧化層表面。在氧化硅層較厚的地方(即第一氧化層區(qū)域)用導電膠將所述較厚的氧化硅層與碳納米管連接并引電極線；在硅片未帶氧化硅層的一面濺射鍍10納米鈦以及200納米鋁，300度處理，做歐姆接觸電極，并用銀膠引線。至此電池制作完畢，在AMl. 5 100mff/cm2標準光譜下測試。實施例4
取一片帶SOOnm厚氧化硅層的η型硅片(電導率2Ω cm),優(yōu)選地，所述第一氧化層采用氧化硅。將所述硅片分別經(jīng)丙酮，乙醇，去離子水各超聲5分鐘，用于去除硅片表面的雜質(zhì)，然后利用膠帶在處理干凈的硅片上圍成方格狀暴露第一氧化層的圖案，圖案面積為
0.1 cm2。采用濕法刻蝕(BOE)將暴露的第一氧化層刻蝕，露出新鮮硅表面，并將膠帶揭掉；通過電子束蒸發(fā)的辦法在新鮮硅表面蒸發(fā)一層厚度在2納米的第二氧化層，蒸發(fā)速率在O.Olnm/s,并且優(yōu)選地第二氧化層也采用氧化硅；然后依次鋪一層從抽濾得到的半導體單壁碳納米管薄膜鋪和一層紡絲碳納米管陣列抽出制得的多壁碳納米管薄膜在第二氧化層和第一氧化層表面。在氧化硅層較厚的地方(即第一氧化層區(qū)域)用導電膠將所述較厚的氧化硅層與碳納米管連接并引電極線；在硅片未帶圖案的一面濺射鍍10納米鈦以及200納米鋁，300度處理，做歐姆接觸電極，并用銀膠引線。至此電池制作完畢，在AMl. 5 100mff/cm2標準光譜下測試。圖3為上述4個實施例制得的碳納米管太陽能電池在標準光源(AM1. 5，100100mff/cm2)以及暗條件下測試的電流密度-電壓曲線，其中曲線I和2分別為暗條件和標準光
源下的電流密度-電壓曲線，根據(jù)U =E (為效率，U為電池的輸出電壓，單位V ; I為電 池在相應輸出電壓下的輸出電流，單位mA ； W為光源的功率，單位mW/cm2)的電池效率計算公式可知，本發(fā)明碳納米管太陽能電池的最大光-電轉(zhuǎn)換效率達到了 6%。圖4為按上述任意實施例制作的兩個碳納米管太陽能電池的并聯(lián)形式。其通過將兩個碳納米管太陽能電池與碳納米管薄膜相連的第一氧化層40電性連接作為一極，與硅基底12相連的負電極50電性連接作為一極，以實現(xiàn)電池的并聯(lián)。圖5為按上述任意實施例制作的兩個碳納米管太陽能電池的串聯(lián)形式。其通過將碳納米管太陽能電池100的負電極50與碳納米管太陽能電池200的第一氧化層40電性連接，再將碳納米管太陽能電池200的負電極50與碳納米管太陽能電池100第一氧化層40電性連接；最終碳納米管太陽能電池100中與碳納米管薄膜30相連的第一氧化層作為串聯(lián)后電池的正電極、碳納米管太陽能電池200的負電極50作為串聯(lián)后電池的負電極，以實現(xiàn)電池的串聯(lián)。在實際生產(chǎn)利用中，可以依照上述的2種碳納米管太陽能電池連接的形式，多個連接碳納米管太陽能電池以形成電池模組，以便產(chǎn)業(yè)利用。對于本領域技術人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本發(fā)明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
權利要求
1.一種碳納米管太陽能電池，其特征在于，該太陽能電池包括 硅基底； 碳納米管薄膜； 氧化層，設置于硅基底和碳納米管薄膜之間； 負電極，設置在硅基底的遠離碳納米管薄膜一側(cè)的表面，并與所述表面歐姆接觸。
2.根據(jù)權利要求I所述的碳納米管太陽能電池，其特征在于所述氧化層選自氧化硅或者氧化鋁，所述氧化層的厚度范圍為I 4納米，所述氧化層的實現(xiàn)方式包括化學氧化或物理沉積。
3.根據(jù)權利要求I所述的碳納米管太陽能電池，其特征在于所述碳納米管薄膜選自順排碳納米管薄膜、雜亂半導體型碳納米管薄膜、金屬型碳納米管薄膜中的一種或者幾種的組合，所述碳納米管薄膜的厚度范圍為30 400納米。
4.根據(jù)權利要求3所述的碳納米管太陽能電池，其特征在于所述順排碳納米管薄膜包括順排多壁、少壁、單壁碳納米管薄膜；其中順排多壁、少壁碳納米管薄膜可從紡絲碳納米管陣列抽出制得，順排單壁碳納米管薄膜通過在刻蝕暴露出的硅表面定向生長制得。
5.根據(jù)權利要求3所述的碳納米管太陽能電池，其特征在于所述雜亂半導體型碳納米管薄膜和金屬型碳納米管薄膜通過噴涂法或真空抽濾法制得。
6.根據(jù)權利要求I所述的碳納米管太陽能電池，其特征在于所述硅基底的導電類型 應為η型，其電導率范圍在O. 02-30 Ω cm之間。
7.根據(jù)權利要求I所述的碳納米管太陽能電池，其特征在于所述負電極選自鎵銦合金，鉻/鋁合金，鈦/鋁合金中的一種或者幾種的組合。
8.一種用于制備權利要求I至7之任意一項所述的碳納米管太陽能電池的制備方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 選取具有第一氧化層表面的娃片作為基底； 使用光阻劑或膠帶覆蓋部分所述第一氧化層表面并使其余部分的第一氧化層表面暴露； 采用濕法刻蝕將所述暴露的第一氧化層表面刻蝕，以露出新鮮硅表面； 在所述暴露出的新鮮硅表面上形成第二氧化層表面； 至少在所述第二氧化層表面上鋪設至少一層碳納米管薄膜，并用導電膠與所述碳納米管薄膜連接以形成正電極； 在所述硅基底的遠離碳納米管薄膜的一側(cè)表面制作與其歐姆接觸的負電極。
9.根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于所述第一氧化層的厚度范圍為300 1000納米。
10.根據(jù)權利要求8所述的制備方法，其特征在于所述碳納米管薄膜進一步鋪設至第一氧化層表面上，所述導電膠與碳納米管薄膜在所述第一氧化層表面上實現(xiàn)連接。
全文摘要
本發(fā)明提供的一種碳納米管太陽能電池，其包括硅基底、碳納米管薄膜、設置于硅基底和碳納米管薄膜之間的氧化層、負電極。其中，所述氧化層選自氧化硅或者氧化鋁，其厚度范圍控制在1～4納米。氧化層可以通過化學氧化或者物理沉積的方式形成。通過在碳納米管薄膜和硅基底之間設置氧化層，相當于在碳納米管薄膜和硅基底間形成了一個高勢壘區(qū)，可以有效阻止由光激發(fā)生成的電子直接向碳納米管薄膜傳輸，抑制了不可利用的暗電流的形成，提高了電池轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/072GK102956737SQ20111023609
公開日2013年3月6日 申請日期2011年8月17日 優(yōu)先權日2011年8月17日
發(fā)明者李清文, 邸江濤, 勇振中, 李紅波, 金赫華 申請人:蘇州捷迪納米科技有限公司