一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬于新能源【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明由單晶硅表面與石墨烯薄膜構(gòu)成的肖特基結(jié)和多晶硅薄膜中的PN結(jié)共同構(gòu)成，肖特基結(jié)與PN結(jié)之間由遂穿結(jié)連接，實(shí)現(xiàn)了雙結(jié)石墨烯電池短路電流的匹配。本發(fā)明還公開了該石墨烯雙結(jié)太陽能電池的制備方法。與目前直接連接的雙結(jié)石墨烯太陽能電池相比，解決了由于內(nèi)建電場方向反向?qū)е码姵亻_路電壓降低的問題，提高了光生載流子的分離和收集效率，從而提高了石墨烯太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
【專利說明】 —種石墨烯雙結(jié)太陽能電池及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池及其制造方法，特別是涉及一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬于新能源【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]能源與環(huán)境問題一直是影響人類生存和發(fā)展的熱點(diǎn)問題。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，其開發(fā)利用受到了最廣泛的關(guān)注。至19世紀(jì)中期科學(xué)家制備出第一塊太陽能電池以來，太陽能電池受到了各國的密切關(guān)注。制備成本低廉、環(huán)保高效的太陽能電池成為各國研發(fā)人員所追求的目標(biāo)。
[0003]太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件。按照結(jié)構(gòu)來分可以分為由同質(zhì)材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的同質(zhì)結(jié)太陽能電池；由異質(zhì)材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的異質(zhì)結(jié)太陽能電池；由金屬和半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的肖特基結(jié)太陽能電池；由電解質(zhì)中半導(dǎo)體電極構(gòu)成的光電化學(xué)太陽能電池。近年來發(fā)展最為成熟的硅基半導(dǎo)體PN結(jié)太陽能電池面臨高能耗、高成本、高污染等幾大問題，由石墨烯薄膜與單晶硅結(jié)合構(gòu)成的石墨烯硅基肖特基結(jié)太陽能電池以其制備成本低廉、工藝環(huán)保等優(yōu)勢引起了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。
[0004]石墨烯是一種典型的半金屬，功函數(shù)約為4.8ev，當(dāng)石墨烯與功函數(shù)低于該值的半導(dǎo)體結(jié)合時(shí)，即可形成肖特基結(jié)，并進(jìn)一步組裝成太陽能電池，得到1.0%?2.0%的轉(zhuǎn)換效率(Xinming Li, Hongwei Zhu, et al.Adv.Mater.2010, 22, 2743-2748) ；Fan 等將 N 型單晶硅通過銀輔助刻蝕形成硅納米線陣列后與石墨烯薄膜組裝成肖特基結(jié)電池，利用納米線陣列的陷光作用使電池的發(fā)光效率提高到2.86% (Guifeng Fan, Hongwei Zhu, JinquanWei, Ning Guo, et al.ACS Appl.Mater.1nterfaces 2011, 3, 721-725);馬錫英發(fā)明一種石墨烯/SiPN雙結(jié)太陽能電池(CN 103137770 A)，光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到2.26%。
[0005]與傳統(tǒng)p-n或p-1-n結(jié)構(gòu)的硅基太陽能電池相比，石墨烯硅基異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)簡單，有效的降低了太陽能電池的成本。雙結(jié)石墨烯太陽能電池在單結(jié)石墨烯太陽能電池的基礎(chǔ)上改進(jìn)了長波波長光子的利用效率。但是，現(xiàn)有直接連接的雙結(jié)石墨烯電池由于肖特基結(jié)內(nèi)建電場和PN結(jié)內(nèi)建電場方向相反，降低了電池的開路電壓和短路電流，影響了電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)，來解決雙結(jié)石墨烯太陽能電池肖特基結(jié)內(nèi)建電場和PN結(jié)內(nèi)建電場反向的問題。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供這種石墨烯雙結(jié)太陽能電池的制備方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣的:一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池，包括一個(gè)由單晶硅表面與石墨烯薄膜構(gòu)成的肖特基結(jié)和一個(gè)由低摻雜多晶硅薄膜構(gòu)成的PN結(jié)，所述PN結(jié)由N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜構(gòu)成，肖特基結(jié)與PN結(jié)之間由高摻雜多晶硅薄膜構(gòu)成的隧道結(jié)連接。
[0008]優(yōu)選的，所述高摻雜多晶硅薄膜摻雜濃度大于或等于1019/cm3，厚度為50?500nmo
[0009]優(yōu)選的，所述單晶硅片上設(shè)置二氧化硅層，所述二氧化硅層是具有通孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述二氧化硅層的表面和由二氧化硅層通孔暴露的單晶硅片表面設(shè)置石墨烯薄膜，石墨烯薄膜一端引出導(dǎo)線，所述PN結(jié)下表面制備導(dǎo)電薄膜一端引出導(dǎo)線。
[0010]優(yōu)選的，所述單晶硅是本征晶體、N型摻雜或P型摻雜，厚度為2?5000微米。
[0011]優(yōu)選的，所述石墨烯薄膜的厚度為I?100納米。
[0012]優(yōu)選的，所述二氧化硅層的厚度為10?2000納米。
[0013]優(yōu)選的，所述導(dǎo)電薄膜材質(zhì)為Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一種。
[0014]優(yōu)選的，所述N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜厚度為2?500微米，摻雜濃度為11Vcm3 ?1016/cm3。
[0015]一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池的制備方法，包括以下步驟:包括以下步驟:a、在單晶硅一側(cè)采用等離子化學(xué)沉積法依次沉積高摻雜多晶硅薄膜、兩層低摻雜多晶硅薄膜；b、在單晶硅另一側(cè)表面制備二氧化硅層；c、在二氧化硅層的表面和由二氧化硅層通孔暴露的單晶硅表面上制備石墨烯薄膜；d、石墨烯薄膜一端引出導(dǎo)線作為電池的正極；e、在兩層低摻雜多晶硅薄膜形成的PN結(jié)下表面采用絲網(wǎng)印刷或?yàn)R射工藝制備導(dǎo)電薄膜一端引出導(dǎo)線作為電池的負(fù)極。
[0016]優(yōu)選的，采用直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾或石墨烯有機(jī)懸浮液平鋪方式制備石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜與單晶硅表面緊密貼合。
[0017]本發(fā)明中單晶硅表面與石墨烯薄膜構(gòu)成肖特基結(jié)，低摻雜多晶硅薄膜構(gòu)成PN結(jié)，肖特基結(jié)與PN結(jié)之間引入高摻雜多晶硅薄膜作為隧道結(jié)，由于隧道結(jié)將肖特基結(jié)與PN結(jié)接觸界面隔開，引入相同方向的內(nèi)建電場；同時(shí)通過復(fù)合作用完成肖特基結(jié)與PN結(jié)之間的電荷交換，使上下結(jié)區(qū)的短路電流匹配。在提高長波波長光子利用效率的同時(shí)，提高了光生載流子分尚和收集的效率，提聞電池的短路電流和開路電壓，進(jìn)而提聞目如雙結(jié)石墨稀太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本和效率高的特點(diǎn)，所需工藝步驟均是成熟工藝，適于批量生產(chǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為石墨烯雙結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為圖1的A-A向剖視圖；
[0020]圖3為實(shí)施例1石墨烯雙結(jié)太陽能電池的內(nèi)建電場分布示意圖；
[0021]圖4為實(shí)施例2石墨烯雙結(jié)太陽能電池的內(nèi)建電場分布示意圖；
[0022]圖5為實(shí)施例3石墨烯雙結(jié)太陽能電池的內(nèi)建電場分布示意圖；
[0023]圖6為實(shí)施例1、2、3石墨烯雙結(jié)太陽能電池與現(xiàn)有技術(shù)雙結(jié)石墨烯太陽能電池的電流電壓曲線測試結(jié)果對比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
[0025]實(shí)施例1
[0026]請參見圖1及圖2，首先在摻雜濃度為11Vcm3的N型單晶硅片3 —側(cè)利用等離子氣相化學(xué)沉積法制備摻雜濃度為11Vcm3的N型多晶硅薄膜4，厚度為50nm ;然后在其表面上依次沉積摻雜濃度為11Vcm3的P型多晶硅薄膜5和N型多晶硅薄膜6，厚度均為30um。P型多晶硅薄膜5和N型多晶硅薄膜6構(gòu)成PN結(jié)10。在N型單晶硅片3的另一側(cè)制備10nm的二氧化硅層2，接著在二氧化硅層2的表面和由二氧化硅層2通孔暴露的單晶硅3表面上采用噴涂工藝制備1nm的石墨烯薄膜1，經(jīng)過干燥后石墨烯薄膜I與N型單晶硅片3結(jié)合。隨后在石墨烯薄膜I 一端引出導(dǎo)線作為光伏電池的正極，在N型多晶硅薄膜6下表面采用磁控濺射法制備Al薄膜7，一端引出導(dǎo)線作為光伏電池的負(fù)極。該實(shí)施例的石墨烯雙結(jié)太陽能電池的內(nèi)建電場分布如圖3所示。
[0027]實(shí)施例2
[0028]請結(jié)合實(shí)施例1，首先在摻雜濃度為11Vcm3的P型單晶硅片3 —側(cè)利用等離子氣相化學(xué)沉積法依次制備摻雜濃度為11Vcm3的P型多晶硅薄膜4，厚度為150nm ;然后在其表面上依次沉積摻雜濃度為11Vcm3的N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6，厚度均為50um。N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6構(gòu)成PN結(jié)10。在P型單晶硅片3的另一側(cè)制備10nm的二氧化硅層2，接著在二氧化硅層2的表面和由二氧化硅層2通孔暴露的單晶硅3表面上采用噴涂工藝制備1nm的石墨烯薄膜1，經(jīng)過干燥后石墨烯薄膜I與P型單晶硅片3結(jié)合。隨后在石墨烯薄膜I 一端引出導(dǎo)線作為光伏電池的正極，在P型多晶硅薄膜6下表面采用絲網(wǎng)印刷法制備Al薄膜7，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后一端引出導(dǎo)線作為光伏電池的負(fù)極。該實(shí)施例的石墨烯雙結(jié)太陽能電池的內(nèi)建電場分布如圖4所示。
[0029]實(shí)施例3
[0030]請結(jié)合實(shí)施例1，首先在摻雜濃度為11Vcm3的P型單晶硅片3 —側(cè)利用等離子氣相化學(xué)沉積法依次制備摻雜濃度為12tVcm3的N型多晶硅薄膜和摻雜濃度為12tVcm3的P型多晶硅薄膜構(gòu)成隧道結(jié)4，厚度均為10nm ;然后在其表面上依次沉積摻雜濃度為114/cm3的N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6，厚度均為50um。N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6構(gòu)成PN結(jié)10。在P型單晶硅片3的另一側(cè)制備10nm的二氧化硅層2，接著在二氧化硅層2的表面和由二氧化硅層2通孔暴露的單晶硅3表面上采用噴涂工藝制備1nm的石墨烯薄膜1，經(jīng)過干燥后石墨烯薄膜I與P型單晶硅片3結(jié)合。隨后在石墨烯薄膜I 一端引出導(dǎo)線作為光伏電池的正極，在P型多晶硅薄膜6下表面采用絲網(wǎng)印刷法制備Al薄膜7，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后一端引出導(dǎo)線作為光伏電池的負(fù)極。該實(shí)施例的石墨烯雙結(jié)太陽能電池的內(nèi)建電場分布如圖5所。
[0031]根據(jù)圖6測試的結(jié)果，實(shí)施例1的短路電流為5.12mA/cm3,開路電壓為0.234V，計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率為3.25%;實(shí)施例2的短路電流為6.67mA/cm3,開路電壓為0.189V,計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率為2.88% ;實(shí)施例3的短路電流為7.98mA/cm3，開路電壓為0.194V，計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率為3.68% ;與同工藝條件制備的效率為2.36%的無遂穿結(jié)雙結(jié)石墨烯電池相比，光電轉(zhuǎn)換效率有明顯改善。
【權(quán)利要求】
1.一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:包括一個(gè)由單晶硅(3)表面與石墨烯薄膜⑴構(gòu)成的肖特基結(jié)和一個(gè)由低摻雜多晶硅薄膜構(gòu)成的PN結(jié)(10)，所述PN結(jié)(10)由N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜構(gòu)成，肖特基結(jié)與PN結(jié)之間由高摻雜多晶硅薄膜(4)構(gòu)成的隧道結(jié)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述高摻雜多晶硅薄膜(4)摻雜濃度大于或等于11Vcm3,厚度為50?500nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述單晶硅(3)上設(shè)置二氧化硅層(2)，所述二氧化硅層(2)是具有通孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述二氧化硅層(2)的表面和由二氧化硅層(2)通孔暴露的單晶硅(3)表面設(shè)置石墨烯薄膜(I)，石墨烯薄膜(I)一端引出導(dǎo)線，所述PN結(jié)(10)下表面制備導(dǎo)電薄膜(7) —端引出導(dǎo)線。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述單晶硅(3)是本征晶體、N型摻雜或P型摻雜，厚度為2?5000微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述石墨烯薄膜(I)的厚度為I?100納米。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述二氧化硅層(2)的厚度為10?2000納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述導(dǎo)電薄膜(7)材質(zhì)為Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池，其特征在于:所述N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜厚度為2?500微米，摻雜濃度為11Vcm3?1016/cm3。
9.一種石墨烯雙結(jié)太陽能電池的制備方法，其特征在于:包括以下步驟:a、在單晶硅一側(cè)采用等離子化學(xué)沉積法依次沉積高摻雜多晶硅薄膜、兩層低摻雜多晶硅薄膜山、在單晶硅另一側(cè)表面制備二氧化硅層；c、在二氧化硅層的表面和由二氧化硅層通孔暴露的單晶硅表面上制備石墨烯薄膜；d、石墨烯薄膜一端引出導(dǎo)線作為電池的正極；e、在兩層低摻雜多晶硅薄膜形成的PN結(jié)下表面采用絲網(wǎng)印刷或?yàn)R射工藝制備導(dǎo)電薄膜一端引出導(dǎo)線作為電池的負(fù)極。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的石墨烯雙結(jié)太陽能電池的制備方法，其特征在于:采用直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾或石墨烯有機(jī)懸浮液平鋪方式制備石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜與單晶硅表面緊密貼合。
【文檔編號】H01L31/18GK104332522SQ201410624955
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月7日
【發(fā)明者】況亞偉, 劉玉申, 馬玉龍, 徐競, 沈小鵬, 馮金福 申請人:常熟理工學(xué)院, 江蘇俊知技術(shù)有限公司