一種電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)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(yáng)電池及其制造方法，尤其是一種電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池及其制備方法，屬于太陽(yáng)電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)電池作為一種可再生綠色能源正在人類的可持續(xù)發(fā)展中起到非常關(guān)鍵的作用。光伏發(fā)電發(fā)展較早的德國(guó)已經(jīng)有超過(guò)50%的發(fā)電來(lái)自于光伏發(fā)電，中國(guó)在2013年的光伏新增安裝容量也達(dá)到12GW，于2012年相比增幅超過(guò)200%。在所有光伏發(fā)電技術(shù)中，硅基太陽(yáng)電池，特別是晶體硅太陽(yáng)電池占據(jù)市場(chǎng)約90%的份額。硅材料的提純、硅太陽(yáng)電池較復(fù)雜的工藝以及由此帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也同時(shí)引起了廣泛的關(guān)注。另一方面，硅電池技術(shù)在經(jīng)歷了 60多年的發(fā)展后，發(fā)電效率的提升已經(jīng)遇到瓶頸。硅材料禁帶寬度較窄，同時(shí)是間接禁帶，不是最理想的基礎(chǔ)材料。砷化鎵具有較合適的禁帶寬度，也是直接帶隙材料，同時(shí)還具有比硅更高的載流子遷移率，因此，空間高效率太陽(yáng)電池一般采用砷化鎵材料制造。但傳統(tǒng)砷化鎵太陽(yáng)電池的制造成本較高，限制了其大范圍應(yīng)用。
[0003]自從石墨烯材料在2004年首次被發(fā)現(xiàn)，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)石墨烯材料具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，如極高的載流子遷移率、高透光新、高的楊氏模量等。這些獨(dú)特的性質(zhì)使石墨烯可以廣泛的應(yīng)用于光伏發(fā)電領(lǐng)域。最近幾年的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是一種理想的太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，但目前得到的光電轉(zhuǎn)化效率還明顯低于市場(chǎng)主流硅太陽(yáng)電池效率，其中重要的一個(gè)限制因素就是石墨烯的摻雜。石墨烯可以通過(guò)化學(xué)方法來(lái)進(jìn)行摻雜，但穩(wěn)定性較差。另外，石墨烯的摻雜特性可以通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)控制，因此，本發(fā)明提出了電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)，并利用簡(jiǎn)單工藝實(shí)現(xiàn)了所述太陽(yáng)電池的制備，并獲得了較目前石墨烯太陽(yáng)電池最高效率更好的光電轉(zhuǎn)化性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種光電轉(zhuǎn)化效率高，制備工藝簡(jiǎn)單的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，自下而上依次有背面電極、η型摻雜或P型摻雜的砷化鎵層、石墨烯層、絕緣介質(zhì)層和柵極，所述的太陽(yáng)電池還設(shè)有正面電極，正面電極設(shè)置在石墨烯層上。
[0006]所述的石墨烯層中石墨烯通常為1-10層，
所述的絕緣介質(zhì)層可以為Al203、Si02、SiNx、Ti02、SiC、Si0N、Hf02、AlN、BN、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)和聚苯乙烯(PS)中的一種或幾種的疊層,厚度通常為0.4nm-100 μ m。
[0007]所述的柵極通常為金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、石墨烯、AZO、ITO和FTO中的一種或者幾種的復(fù)合電極。
[0008]所述的背面電極可以為金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、ΑΖ0、ΙΤ0和FTO中的一種或者幾種的復(fù)合電極。
[0009]所述的正面電極可以為金、鈀、銀、鈦、銅、鉬、鉻、鎳、IT0、FT0和AZO中的一種或者幾種的復(fù)合電極。
[0010]制備上述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的方法，包括如下步驟:
1)在潔凈的η型摻雜或P型摻雜的砷化鎵片的一面制作背面電極；
2)將步驟I)所得砷化鎵片在化學(xué)溶液中浸泡5s~30m進(jìn)行表面清洗，取出并干燥；
3)將石墨烯轉(zhuǎn)移至步驟2)所得砷化鎵片的另一面上；
4)在石墨烯層上制作正面電極，并在石墨烯層表面預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層的面積；
5)在石墨烯層上制作絕緣介質(zhì)層；
6)在絕緣介質(zhì)層上制作柵極。
[0011]上述技術(shù)方案中，步驟2)所述的化學(xué)溶液可以為HC1、HN03、H2SO4, KOH或NaOH的水溶液。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的有益效果是:
本發(fā)明制備的太陽(yáng)電池可通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控對(duì)石墨烯的摻雜特性進(jìn)行控制，從而調(diào)控太陽(yáng)電池的性能，可獲得轉(zhuǎn)化效率更高的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，且本發(fā)明的方法工藝簡(jiǎn)單，便于推廣。
[0013]【附圖說(shuō)明】:
圖1為石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為調(diào)控電場(chǎng)對(duì)石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的電池效率的影響。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0015]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池自下而上依次有背面電極1、η型摻雜或P型摻雜的砷化鎵層2、石墨烯層3、絕緣介質(zhì)層5和柵極6，所述的太陽(yáng)電池還設(shè)有正面電極4，正面電極4設(shè)置在石墨烯層3上。
[0016]實(shí)施例1:
1)在η型砷化鎵片一面利用電子束蒸發(fā)法沉積鉻、鎳、金復(fù)合電極；
2)將得到的樣品浸入質(zhì)量濃度10%的NaOH水溶液中進(jìn)行表面清洗，30min后取出并干燥；
3)將單層石墨烯轉(zhuǎn)移至2)處理后的砷化鎵片的另一面上；
4)在石墨烯層上利用熱蒸發(fā)工藝沉積銀電極，并預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層的面積；
5)在石墨烯層上銀電極之間預(yù)留的面積上通過(guò)磁控濺射沉積HfO2薄膜，厚度為5nm；
6)在HfO2薄膜上沉積20nm的金作為柵極。
[0017]得到的調(diào)控電場(chǎng)對(duì)石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的歸一化轉(zhuǎn)化效率的影響如圖2所示，可以看出，隨著負(fù)偏壓的增加，電池轉(zhuǎn)化效率增加，而正偏壓會(huì)降低電池轉(zhuǎn)化效率。
[0018]實(shí)施例2:
1)在P型砷化鎵片一面利用電子束蒸發(fā)法沉積鈦、鈀、銀復(fù)合電極；
2)將得到的樣品浸入質(zhì)量濃度10%的HCl水溶液中進(jìn)行表面清洗，5s后取出并干燥；
3)將雙層石墨烯轉(zhuǎn)移至2)處理后的砷化鎵片的另一面上； 4)在石墨烯層上利用磁控濺射工藝沉積ITO電極，并預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層的面積；
5)在石墨烯層上ITO電極之間的預(yù)留面積上通過(guò)磁控濺射沉積T12薄膜，厚度為0.4nm ；
6)在T12薄膜上沉積1nm的AZO作為柵極。
[0019]實(shí)施例3:
1)在P型砷化鎵片一面利用磁控濺射沉積ITO電極；
2)將得到的樣品浸入質(zhì)量濃度20%的HNOyK溶液中進(jìn)行表面清洗5min后取出并干燥；
3)將10層石墨烯轉(zhuǎn)移至2)處理后的砷化鎵片的另一面上；
4)在石墨烯層上蒸鍍金、鈀復(fù)合電極，并預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層的面積；
5)在石墨烯層預(yù)留面積上通過(guò)化學(xué)氣相沉積工藝制備SiNx薄膜，厚度為10nm；
6)在SiNx薄膜上沉積80nm的FTO作為柵極。
[0020]實(shí)施例4
1)在η型砷化鎵片一面利用熱蒸發(fā)法沉積鉻、金復(fù)合電極；
2)將得到的樣品浸入質(zhì)量濃度20%的KOH水溶液中進(jìn)行表面清洗，30m后取出并干燥；
3)將5層石墨烯轉(zhuǎn)移至2)處理的砷化鎵片的另一面上；
4)在石墨烯層上蒸鍍鉬、鉻、鎳復(fù)合電極，并預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層的面積；
5)在石墨烯層上預(yù)留面積處通過(guò)化學(xué)氣相沉積工藝制備1nm厚度SiC和50nm厚度3102疊層薄膜；
6)在S12薄膜上沉積10nm的ITO作為柵極。
[0021]實(shí)施例5
1)在η型砷化鎵片一面利用磁控濺射沉積AZO電極；
2)將得到的樣品浸入質(zhì)量濃度20%的H2SO4水溶液中進(jìn)行表面清洗，1min后取出并干燥；
3)將8層石墨烯轉(zhuǎn)移至2)處理后的砷化鎵片的另一面上；
4)在石墨烯層上濺射FTO電極，并預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層的面積；
5)在石墨烯層上預(yù)留面積處通過(guò)旋涂工藝制備100μ m厚的PDMS、PMMA、PET、PC、PS復(fù)合薄膜；
6)在復(fù)合薄膜上沉積10nm的鈦、鈀、銀復(fù)合電極作為柵極。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于自下而上依次有背面電極(I )、η型摻雜或P型摻雜的砷化鎵層(2 )、石墨烯層(3 )、絕緣介質(zhì)層(5 )和柵極(6 )，所述的太陽(yáng)電池還設(shè)有正面電極(4 )，正面電極(4 )設(shè)置在石墨烯層(3 )上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于所述的石墨烯層(3)中的石墨烯為1-10層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于所述的絕緣介質(zhì)層(5)為 A1203、S12, SiNx、Ti02、SiC、S1N、Hf02、AIN、BN、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和聚苯乙烯中的一種或幾種的疊層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于所述的絕緣介質(zhì)層(5)厚度為0.4nm-100 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于所述的柵極(6)為金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、石墨烯、AZO、ITO和FTO中的一種或者幾種的復(fù)合電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于所述的背面電極(I)為金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、AZO、ITO和FTO中的一種或者幾種的復(fù)合電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池，其特征在于所述的正面電極(4)為金、鈀、銀、鈦、銅、鉬、鉻、鎳、ΙΤ0、FTO和AZO中的一種或者幾種的復(fù)合電極。
8.制備如權(quán)利要求1~7任一項(xiàng)所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)在潔凈的η型摻雜或P型摻雜的砷化鎵片(2)的一面制作背面電極(I)； 2)將步驟I)所得砷化鎵片在化學(xué)溶液中浸泡5s~30m進(jìn)行表面清洗，取出并干燥； 3)將石墨烯轉(zhuǎn)移至步驟2)所得砷化鎵片的另一面上； 4)在石墨烯層(3)上制作正面電極(4)，并在石墨烯層表面預(yù)留生長(zhǎng)絕緣介質(zhì)層(5)的面積； 5)在石墨烯層(3 )上制作絕緣介質(zhì)層(5 ); 6)在絕緣介質(zhì)層(5 )上制作柵極(6 )。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的制備方法，其特征在于步驟2)所述的化學(xué)溶液為HC1、HN03、H2SO4, KOH或NaOH的水溶液。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池及其制備方法，該石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池自下而上依次有背面電極、砷化鎵層、石墨烯層、絕緣介質(zhì)層和柵極，該太陽(yáng)電池還設(shè)有正面電極，所述正面電極設(shè)置在石墨烯層上。其制備方法如下：先在砷化鎵片一面制作背面電極；清洗后將石墨烯轉(zhuǎn)移至砷化鎵片另一面上；在石墨烯上制作正面電極；再在石墨烯上制作絕緣介質(zhì)層；最后在絕緣介質(zhì)層上制作柵極，獲得太陽(yáng)電池。本發(fā)明的電場(chǎng)調(diào)控的石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池可以通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)控石墨烯的摻雜狀態(tài)，進(jìn)而可以進(jìn)一步提高石墨烯/砷化鎵太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)化效率。
【IPC分類】H01L31-18, H01L31-0352
【公開號(hào)】CN104576787
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410827634
【發(fā)明人】林時(shí)勝, 李曉強(qiáng), 陳紅勝, 駱季奎, 李爾平, 王朋, 章盛嬌, 徐志娟
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月29日