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CN104332522B - 一种石墨烯双结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯双结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯双结太阳能电池及其制备方法，属于新能源技术领域。本发明由单晶硅表面与石墨烯薄膜构成的肖特基结和多晶硅薄膜中的PN结共同构成，肖特基结与PN结之间由遂穿结连接，实现了双结石墨烯电池短路电流的匹配。本发明还公开了该石墨烯双结太阳能电池的制备方法。与目前直接连接的双结石墨烯太阳能电池相比，解决了由于内建电场方向反向导致电池开路电压降低的问题，提高了光生载流子的分离和收集效率，从而提高了石墨烯太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种石墨烯双结太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，特别是涉及一种石墨烯双结太阳能电池及其制备方法，属于新能源技术领域。
背景技术
能源与环境问题一直是影响人类生存和发展的热点问题。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其开发利用受到了最广泛的关注。至19世纪中期科学家制备出第一块太阳能电池以来，太阳能电池受到了各国的密切关注。制备成本低廉、环保高效的太阳能电池成为各国研发人员所追求的目标。
太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特效应将光能转换为电能的一种器件。按照结构来分可以分为由同质材料构成一个或多个PN结的同质结太阳能电池；由异质材料构成一个或多个PN结的异质结太阳能电池；由金属和半导体接触构成的肖特基结太阳能电池；由电解质中半导体电极构成的光电化学太阳能电池。近年来发展最为成熟的硅基半导体PN结太阳能电池面临高能耗、高成本、高污染等几大问题，由石墨烯薄膜与单晶硅结合构成的石墨烯硅基肖特基结太阳能电池以其制备成本低廉、工艺环保等优势引起了各国学者的广泛关注。
石墨烯是一种典型的半金属，功函数约为4.8ev，当石墨烯与功函数低于该值的半导体结合时，即可形成肖特基结，并进一步组装成太阳能电池，得到1.0％～2.0％的转换效率(Xinming Li,Hongwei Zhu,et al.Adv.Mater.2010,22,2743-2748)；Fan等将N型单晶硅通过银辅助刻蚀形成硅纳米线阵列后与石墨烯薄膜组装成肖特基结电池，利用纳米线阵列的陷光作用使电池的发光效率提高到2.86％(Guifeng Fan,Hongwei Zhu,Jinquan Wei,Ning Guo,et al.ACS Appl.Mater.Interfaces 2011,3,721-725)；马锡英发明一种石墨烯/SiPN双结太阳能电池(CN 103137770 A)，光电转化效率达到2.26％。
与传统p-n或p-i-n结构的硅基太阳能电池相比，石墨烯硅基异质结电池结构简单，有效的降低了太阳能电池的成本。双结石墨烯太阳能电池在单结石墨烯太阳能电池的基础上改进了长波波长光子的利用效率。但是，现有直接连接的双结石墨烯电池由于肖特基结内建电场和PN结内建电场方向相反，降低了电池的开路电压和短路电流，影响了电池光电转换效率的提高。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯双结太阳能电池结构，来解决双结石墨烯太阳能电池肖特基结内建电场和PN结内建电场反向的问题。本发明的另一个目的是提供这种石墨烯双结太阳能电池的制备方法。
本发明的技术方案是这样的：一种石墨烯双结太阳能电池，包括一个由单晶硅表面与石墨烯薄膜构成的肖特基结和一个由低掺杂多晶硅薄膜构成的PN结，所述PN结由N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜构成，肖特基结与PN结之间由高掺杂多晶硅薄膜构成的隧道结连接。
优选的，所述高掺杂多晶硅薄膜掺杂浓度大于或等于1019/cm3，厚度为50～500nm。
优选的，所述单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置石墨烯薄膜，石墨烯薄膜一端引出导线，所述PN结下表面制备导电薄膜一端引出导线。
优选的，所述单晶硅是本征晶体、N型掺杂或P型掺杂，厚度为2～5000微米。
优选的，所述石墨烯薄膜的厚度为1～100纳米。
优选的，所述二氧化硅层的厚度为10～2000纳米。
优选的，所述导电薄膜材质为Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一种。
优选的，所述N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜厚度为2～500微米，掺杂浓度为1014/cm3～1016/cm3。
一种石墨烯双结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：a、在单晶硅一侧采用等离子化学沉积法依次沉积高掺杂多晶硅薄膜、两层低掺杂多晶硅薄膜；b、在单晶硅另一侧表面制备二氧化硅层；c、在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅表面上制备石墨烯薄膜；d、石墨烯薄膜一端引出导线作为电池的正极；e、在两层低掺杂多晶硅薄膜形成的PN结下表面采用丝网印刷或溅射工艺制备导电薄膜一端引出导线作为电池的负极。
优选的，采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤或石墨烯有机悬浮液平铺方式制备石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜与单晶硅表面紧密贴合。
本发明中单晶硅表面与石墨烯薄膜构成肖特基结，低掺杂多晶硅薄膜构成PN结，肖特基结与PN结之间引入高掺杂多晶硅薄膜作为隧道结，由于隧道结将肖特基结与PN结接触界面隔开，引入相同方向的内建电场；同时通过复合作用完成肖特基结与PN结之间的电荷交换，使上下结区的短路电流匹配。在提高长波波长光子利用效率的同时，提高了光生载流子分离和收集的效率，提高电池的短路电流和开路电压，进而提高目前双结石墨烯太阳能电池的光电转换效率。本发明具有结构简单、低成本和效率高的特点，所需工艺步骤均是成熟工艺，适于批量生产。
附图说明
图1为石墨烯双结太阳能电池的结构示意图；
图2为图1的A-A向剖视图；
图3为实施例1石墨烯双结太阳能电池的内建电场分布示意图；
图4为实施例2石墨烯双结太阳能电池的内建电场分布示意图；
图5为实施例3石墨烯双结太阳能电池的内建电场分布示意图；
图6为实施例1、2、3石墨烯双结太阳能电池与现有技术双结石墨烯太阳能电池的电流电压曲线测试结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
实施例1
请参见图1及图2，首先在掺杂浓度为1015/cm3的N型单晶硅片3一侧利用等离子气相化学沉积法制备掺杂浓度为1019/cm3的N型多晶硅薄膜4，厚度为50nm；然后在其表面上依次沉积掺杂浓度为1015/cm3的P型多晶硅薄膜5和N型多晶硅薄膜6，厚度均为30um。P型多晶硅薄膜5和N型多晶硅薄膜6构成PN结10。在N型单晶硅片3的另一侧制备100nm的二氧化硅层2，接着在二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的单晶硅3表面上采用喷涂工艺制备10nm的石墨烯薄膜1，经过干燥后石墨烯薄膜1与N型单晶硅片3结合。随后在石墨烯薄膜1一端引出导线作为光伏电池的正极，在N型多晶硅薄膜6下表面采用磁控溅射法制备Al薄膜7，一端引出导线作为光伏电池的负极。该实施例的石墨烯双结太阳能电池的内建电场分布如图3所示。
实施例2
请结合实施例1，首先在掺杂浓度为1014/cm3的P型单晶硅片3一侧利用等离子气相化学沉积法依次制备掺杂浓度为1019/cm3的P型多晶硅薄膜4，厚度为150nm；然后在其表面上依次沉积掺杂浓度为1014/cm3的N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6，厚度均为50um。N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6构成PN结10。在P型单晶硅片3的另一侧制备100nm的二氧化硅层2，接着在二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的单晶硅3表面上采用喷涂工艺制备10nm的石墨烯薄膜1，经过干燥后石墨烯薄膜1与P型单晶硅片3结合。随后在石墨烯薄膜1一端引出导线作为光伏电池的正极，在P型多晶硅薄膜6下表面采用丝网印刷法制备Al薄膜7，经过高温烧结后一端引出导线作为光伏电池的负极。该实施例的石墨烯双结太阳能电池的内建电场分布如图4所示。
实施例3
请结合实施例1，首先在掺杂浓度为1014/cm3的P型单晶硅片3一侧利用等离子气相化学沉积法依次制备掺杂浓度为1020/cm3的N型多晶硅薄膜和掺杂浓度为1020/cm3的P型多晶硅薄膜构成隧道结4，厚度均为100nm；然后在其表面上依次沉积掺杂浓度为1014/cm3的N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6，厚度均为50um。N型多晶硅薄膜5和P型多晶硅薄膜6构成PN结10。在P型单晶硅片3的另一侧制备100nm的二氧化硅层2，接着在二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的单晶硅3表面上采用喷涂工艺制备10nm的石墨烯薄膜1，经过干燥后石墨烯薄膜1与P型单晶硅片3结合。随后在石墨烯薄膜1一端引出导线作为光伏电池的正极，在P型多晶硅薄膜6下表面采用丝网印刷法制备Al薄膜7，经过高温烧结后一端引出导线作为光伏电池的负极。该实施例的石墨烯双结太阳能电池的内建电场分布如图5所示。
根据图6测试的结果，实施例1的短路电流为5.12mA/cm3，开路电压为0.234V，计算得到的光电转换效率为3.25％；实施例2的短路电流为6.67mA/cm3，开路电压为0.189V，计算得到的光电转换效率为2.88％；实施例3的短路电流为7.98mA/cm3，开路电压为0.194V，计算得到的光电转换效率为3.68％；与同工艺条件制备的效率为2.36％的无遂穿结双结石墨烯电池相比，光电转换效率有明显改善。

Claims (6)

1.一种石墨烯双结太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：a、在单晶硅一侧采用等离子化学沉积法依次沉积高掺杂多晶硅薄膜、两层低掺杂多晶硅薄膜；b、在单晶硅另一侧表面制备二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构；c、在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅表面上制备石墨烯薄膜；d、石墨烯薄膜一端引出导线作为电池的正极；e、在两层低掺杂多晶硅薄膜形成的PN结下表面采用丝网印刷或溅射工艺制备导电薄膜，导电薄膜的一端引出导线作为电池的负极，所述高掺杂多晶硅薄膜掺杂浓度大于或等于1019/cm3，厚度为50～500nm。
2.根据权利要求1所述的石墨烯双结太阳能电池的制备方法，其特征在于：采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤或石墨烯有机悬浮液平铺方式制备石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜与单晶硅表面紧密贴合。
3.根据权利要求1所述的石墨烯双结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述单晶硅是本征晶体、N型掺杂或P型掺杂，厚度为2～5000微米。
4.根据权利要求1所述的石墨烯双结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜的厚度为1～100纳米。
5.根据权利要求1所述的石墨烯双结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为10～2000纳米。
6.根据权利要求1所述的石墨烯双结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述导电薄膜材质为Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一种。
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