專利名稱：具有石墨烯的硒化鎘透明薄膜太陽(yáng)電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，特別涉及一種透明薄膜太陽(yáng)電池。
背景技術(shù)：
采用太陽(yáng)能光伏發(fā)電，將在緩解化石能源枯竭、減少溫室氣體排放上起著至關(guān)重要的作用。由于目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電生產(chǎn)成本太高，光伏發(fā)電還是不重要的補(bǔ)充能源。而提高太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率，是降低光伏發(fā)電成本的重要途徑之一。因此，人們非常重視多結(jié)疊層太陽(yáng)電池的研制。對(duì)于疊層薄膜太陽(yáng)電池而言，頂電池占據(jù)整個(gè)電池發(fā)電功率的2/3以上，起著十分重要的作用，具有較寬的能隙并且在近紅外波段也要有較高的透過(guò)率的材料非常適合制作頂電池。人們發(fā)現(xiàn)，I-III-VI族和II-VI族多元化合物通過(guò)能帶調(diào)控可獲得需要的寬能隙材料，如，CuGaSe2, Cu(InGa) (SeS)2' Cu(InGa) S2, CuInS2, Cd1^xZnxTe0 但是，上述材料制作成頂電池后，疊層電池性能衰降程度很大。究其原因，一方面，與制作工藝復(fù)雜困難、流程偏多導(dǎo)致各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響和干擾有關(guān)；另一方面，也與底電池和頂電池的工藝匹配有關(guān)，如上述材料在制作頂電池的高溫過(guò)程導(dǎo)致材料特別是頂電池和底電池之間的過(guò)渡材料組分缺失和互擴(kuò)散。因此，也有采用機(jī)械疊層的結(jié)構(gòu)，如，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)采用II-VI族化合物CdTe制備了機(jī)械疊層CdTe/CuInSe2(CIS)太陽(yáng)電池(Prog Photovolt Res Appl, 2006,14 :471)，但該結(jié)構(gòu)也存在明顯的缺陷和不足，CdTe的能隙與理想雙結(jié)太陽(yáng)電池中頂電池的能隙(Prog Photovolt Res Appl, 2003,11 :359)相比明顯偏小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了消除上述不足或缺陷，進(jìn)一步改進(jìn)雙結(jié)疊層薄膜太陽(yáng)電池中透明頂電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種以硒化鎘(CdSe)材料作吸收層，以石墨烯作透明導(dǎo)電背接觸層的透明薄膜太陽(yáng)電池。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是在鍍Ni的Si/Si02基片上沉積石墨烯，隨后沉積CdSe，接下來(lái)沉積P型ZnSe以及ZnO，最后涂上約10微米雙酚A碳酸鹽的氯仿溶液，用lmol/L的FeCl3刻蝕掉Ni層，剝離Si/Si02基片，獲得石墨烯/CdSe/ZnSe/ZnO樣品，可把上述樣品轉(zhuǎn)移到其他可支撐的透明柔性或剛性襯底上，也可采用石墨烯本身作為自支撐透明襯底，接上引線，就獲得了 CdSe透明薄膜太陽(yáng)電池。因此，本發(fā)明中具有石墨烯的CdSe透明薄膜電池的結(jié)構(gòu)為石墨烯/CdSe/ZnSe/ZnO，其技術(shù)特征是石墨烯作為透明電池的背接觸層，ZnO作為太陽(yáng)電池的透明前電極，襯底可以是石墨烯本身，也可以直接轉(zhuǎn)移到其他可支撐的透明剛性襯底或者透明柔性襯底上。本發(fā)明中所說(shuō)的透明導(dǎo)電背接觸層和透明剛性或柔性襯底指的是在紅外波段，太陽(yáng)光仍然能以大于20%以上的透過(guò)率通過(guò)上述材料或物質(zhì)，需要說(shuō)明的是相對(duì)剛性沉底而言，柔性襯底可折疊。在上述方案中石墨烯為η型；CdSe為η型；ZnSe為p型,載流子濃度為IO16 IO19CnT3 ；ZnO為p型，載流子濃度為IO16 IO21cnT3。
CdSe薄膜室溫下的能隙 I. 7eV(接近理想高效雙結(jié)疊層薄膜太陽(yáng)電池頂電池的能隙)，而采用石墨烯作為透明背接觸層，石墨烯的楊氏模量可達(dá)I. 85GPa，具有自支撐的作用，可用來(lái)制作柔性太陽(yáng)電池；石墨烯在OK附近電子傳輸速度不為零，遷移率可高達(dá)^OOcm2V-1S'具有良好的電學(xué)性能；并且太陽(yáng)光通過(guò)太陽(yáng)電池中的石墨烯層，對(duì)可見光的吸收只有2. 3%，在紅外區(qū)石墨烯的透過(guò)率為97. 7% (Vacuum, 2009,83 (10) :1248;Science, 2008, 320 (5881) :1308 ；Phys Rev B, 2008, 78 (8) :085432)，滿足頂電池對(duì)紅外光具有透明性的要求。因此，這種具有石墨烯的CdSe透明薄膜電池不管從電學(xué)性質(zhì)還是光學(xué)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，是頂電池的最佳選擇。


圖I為剝離前CdSe透明薄膜電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖I中的符號(hào)表示是:1為Si/Si02基片，2為附，3為石墨烯，4為0(^6，5為21^6，6 為 ZnO0
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅限于實(shí)施例中涉及的內(nèi)容。在圖I中，剝離前具有石墨烯的CdSe透明薄膜電池的結(jié)構(gòu)為Si/Si02基片(I)/Ni (2)/石墨烯(3)/CdSe (4)/ZnSe (5)/ZnO (6)。即首先在鍍Ni的Si/Si02基片上沉積石墨烯，隨后沉積CdSe，接下來(lái)沉積P型摻氮ZnSe以及ZnO，最后涂上約10微米雙酚A碳酸鹽的氯仿溶液，用lmol/L的FeCl3刻蝕掉Ni層，把上述剝離的樣品轉(zhuǎn)移到其他透明柔性或剛性襯底上，或者直接具有自支撐的采用石墨烯(3)作為襯底，接上引線，就獲得了剝離后的CdSe透明薄膜太陽(yáng)電池。CdSe透明薄膜電池滿足疊層電池中頂電池高效和對(duì)底電池透明的要求。一方面，采用CdSe (4)作為透明電池的吸收層，是因?yàn)镃dSe的能隙接近理想高效雙結(jié)疊層薄膜太陽(yáng)電池頂電池材料的能隙；另一方面，石墨烯⑶作上述透明電池的透明背接觸，主要原因是在紅外區(qū)石墨烯的吸收僅為2. 3 %，可保證底電池在紅外波段具有良好的光譜響應(yīng)，并且石墨烯可視為帶隙很小的半導(dǎo)體或者是交迭很小的半金屬，多層石墨烯能帶交迭為4 20meV,小于石墨的值(40meV),單層石墨烯在理論上是零帶隙的半導(dǎo)體，因此，石墨烯具有優(yōu)異的電導(dǎo)性能。另外，石墨烯很容易實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電類型的轉(zhuǎn)變，吸附H2O和NO2可形成P型摻雜的石墨烯，吸附NH3分子會(huì)形成η型摻雜的石墨烯，在本發(fā)明中，石墨烯很容易制作成η型材料。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)了雙結(jié)疊層薄膜太陽(yáng)電池中透明頂電池的結(jié)構(gòu)，不但可以提高CdSe透明薄膜太陽(yáng)電池的性能，而且可以將此CdSe透明薄膜太陽(yáng)電池直接應(yīng)用于雙結(jié)兩端或四端疊層電池。實(shí)施例I.在Si/Si02基片(I)上，采用電子束蒸發(fā)，在真空 10_4 &蒸發(fā)30011111的附(2)；2.取出上述樣品，采用化學(xué)氣相沉積(CVD)，常壓下，在基片加熱到450 1000°C，氬氣和氫氣氣氛中通入甲烷，制備出多原子層的石墨烯(3)，并采用NH3分子吸附，獲得η型石墨烯⑶；3.取出Si/Si02基片(1)/Ni(2)/石墨烯(3)樣品，采用化學(xué)水浴法制備吸收層材料硒化鎘(4)，所用藥品均為分析純?cè)噭?，采用二次去離子水配制，各成分的濃度為[CdSO4]=O. 5M, [Na2SeSO3] = O. 05M, [N(CH2COONa)3] = O. 004M, [NH4Cl] = O. 02M，沉積過(guò)程中 PH值約8 10，沉積4次，厚度約300 lOOOnm，取出沉積后的樣品，去離子水清洗，再用氮?dú)獯蹈桑?.把上述Si/Si02基片(I)/Ni (2)/石墨烯(3)/CdSe (4)樣品放入濺射室，本底真空 104pa，室溫下，工作氣氛為氬氮?dú)怏w(體積比約3 1)，工作氣壓 IPa，濺射功率20 300W，射頻濺射ZnSe靶(99. 999% ),同時(shí)，射頻等離子放電引入氮，沉積P型摻氮硒化鋅(5)，載流子濃度I X IO1V3,厚度為80nm，并保持氬氮?dú)夥赵患訜岬?00 350°C約10 30分鐘；4.接著，射頻濺射磷摻雜的氧化鋅靶(99. 999% ),沉積 40nm厚度p型氧化鋅
(6)，載流子濃度為IO17 IO18cnT3 ；5.隨后，取出結(jié)構(gòu)為 Si/Si02 基片(I)/Ni (2)/石墨烯(3)/CdSe (4)/ZnSe (5)/ZnO(6)的樣品，涂上約10微米雙酚A碳酸鹽的氯仿溶液，用lmol/L的FeCl3刻蝕掉Ni層，把上述剝離的樣品轉(zhuǎn)移到其他透明柔性或剛性襯底上，或者利用石墨烯的自支撐作用作為襯底，接上引線，就獲得了石墨烯(3) /CdSe (4) /ZnSe (5) /ZnO (6)的CdSe透明薄膜太陽(yáng)電池。
權(quán)利要求
1.一種具有石墨烯的硒化鎘透明薄膜太陽(yáng)電池，其結(jié)構(gòu)為石墨烯/CdSe/ZnSe/ZnO,其特征是石墨烯作為透明電池的背接觸層，ZnO作為太陽(yáng)電池的透明前電極，襯底可以是石墨烯本身，也可直接轉(zhuǎn)移到可支撐的透明剛性襯底，還可以直接轉(zhuǎn)移到可支撐的透明柔性襯底上。
2.如權(quán)利要求I所述具有石墨烯的硒化鎘透明薄膜太陽(yáng)電池，其特征是石墨烯為η型；CdSe為η型ZnSe為P型，載流子濃度為IO16 IO19CnT3 ；ΖηΟ為ρ型，載流子濃度為IO16 1021cnT3。
全文摘要
具有石墨烯的硒化鎘透明薄膜太陽(yáng)電池是以硒化鎘(CdSe)材料作吸收層，石墨烯為透明導(dǎo)電背接觸層的薄膜太陽(yáng)電池。這種太陽(yáng)電池具有自支撐的作用，也可以移植到其他透明柔性或透明剛性襯底上。這種太陽(yáng)電池具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)，在近紅外波段，太陽(yáng)光仍然具有較高的透過(guò)率。因此，適合制作雙結(jié)疊層太陽(yáng)電池。
文檔編號(hào)H01L31/0296GK102931249SQ20121048543
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月26日
發(fā)明者黃代繪, 李衛(wèi) 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)