CN101771092A - 一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池及其制备方法，将钛钯银TiPdAg背电极、n型单晶硅片n-Si、环形的二氧化硅SiO2层和环形的金膜从下往上层叠式放置，金膜的内孔、二氧化硅SiO2层中间的通孔和n型单晶硅片n-Si的上表面形成台阶孔；采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤的方法将石墨烯或石墨烯的有机悬浊液平铺在台阶孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜与基底电极上的n-Si紧密结合；石墨烯薄膜一端引出导线做为光伏电池的正极，钛钯银TiPdAg背电极4一端引出导线做为光伏电池的负极即可，本发明的光伏电池降低了硅的使用率，且组装工艺简单、成本低，适于规模化应用。

Description

一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米碳材料器件与应用领域，特别涉及一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池及其制备方法。
背景技术
在太阳能利用领域，硅是最具商业价值的光伏材料。然而，高能耗、噪音、废料、污染是其所面临的几大问题。近年来其负面作用日益凸现，相关技术和产业已经开始出现瓶颈效应。目前，人们正在全力寻找可以替代硅的新材料，开发新技术，以减少硅的使用率，制造效率更高、更环保的光伏电池。
在寻找新材料和新技术的过程中，纳米材料与纳米技术是目前的研究重点之一。碳纳米管、石墨烯等纳米材料具有与硅相媲美或更优异的性能。碳纳米管p-n结(N.M.Gabor，et al.Science 2009，325，1367-1371)、碳纳米管/硅异质结(专利号：200610169827.0；Y Jia，et al.Adv.Mater.2008，20，4594-4598)和碳纳米管/GaAs异质结(C.W.Liang，et al.Nano Lett.2008，8，1809-1812)都显示出一定的光伏效应。然而，对于碳纳米管而言，现有制备技术存在的局限性成为其走向产业化的一个重要障碍，尚无法对碳管的手性进行精确控制，无法合成光伏性能可控的碳纳米管宏观结构。碳纳米管作为太阳能电池中薄膜电极材料亦存在缺点，例如需要纯化等后处理工艺，由管束形成的网络结构存在较大的空隙，表面粗糙度大，电导率存在理论上限(L.F.C.Pereira，et al.Appl.Phys.Lett.2009，95，123106)，已无进一步提升的空间。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池及其制备方法，采用石墨烯与硅构成肖特基结为基础构建光伏电池，充分利用石墨烯薄膜的二维结构及优异的透光性、导电性和光伏特性，本发明的光伏电池降低了硅的使用率，且组装工艺简单、成本低，适于规模化应用。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池，其特征在于，包括钛钯银TiPdAg背电极4，钛钯银TiPdAg背电极4上放置有n型单晶硅片n-Si3，n型单晶硅片n-Si 3上放置有二氧化硅SiO2层2，二氧化硅SiO2层2中间开有通孔，二氧化硅SiO2层2上放置有环形的金膜1，金膜1的内孔、SiO2层2中间的通孔和n型单晶硅片n-Si 3的上表面形成台阶孔，钛钯银TiPdAg背电极4一端引出导线，在台阶孔表面平铺有石墨烯薄膜5，石墨烯薄膜5一端引出导线。
一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
一、先将钛钯银TiPdAg背电极4、n型单晶硅片n-Si 3、环形的二氧化硅SiO2层2和环形的金膜1从下往上层叠式放置，金膜1的内孔、二氧化硅SiO2层2中间的通孔和n型单晶硅片n-Si 3的上表面形成台阶孔；
二、采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤的方法将石墨烯或石墨烯的有机悬浊液平铺在台阶孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜5与基底电极上的n-Si紧密结合；石墨烯薄膜5一端引出导线做为光伏电池的正极，钛钯银TiPdAg背电极4一端引出导线做为光伏电池的负极。
同现有异质结光伏电池相比，本发明具有以下几个优点：
1.石墨烯具有优异的透光性和导电性。单层石墨烯的可见光透射率高达97.7％，导电率为106～107S/m，综合性能优于现有材料；
2.同碳纳米管的一维结构不同，石墨烯薄膜在二维空间光滑连续，可实现同硅的紧密接触，覆盖率为100％；
3.石墨烯薄膜可由单层、双层、多层或混合层数的石墨烯连续或相互搭接而成，即使个别层片存在缺陷，也不会明显影响薄膜整体导电性；
4.采用石墨烯取代现有技术中的上层单晶硅，相比现有的光伏电池，工艺简化、成本降低，石墨烯可以由化学气相沉积法、液相剥离法等目前通用的方法制备得到，材料制备技术成熟，来源广泛。
基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的原理如下：当金属的功函数大于n型半导体的功函数时，二者可形成肖特基结。石墨烯为金属型，功函数ΦG为4.8～5.0eV，n型硅的功函数Φn-Si为4.25eV，因此石墨烯和n型硅可形成肖特基结。
综合上述基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的优点及结构性能特点，相比于背景技术中的硅电池和碳纳米管/硅异质结光伏电池，本发明的基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池充分利用了石墨烯优异的二维薄膜结构、透光性、导电性和光伏特性。光伏电池组装工艺简单，成本低，适于规模化应用。
附图说明
图1是基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的结构示意图，其中a是俯视图，b是侧视剖面图。
图2是基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的能带结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细描述。
参照图1，一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池，其特征在于，包括钛钯银TiPdAg背电极4，钛钯银TiPdAg背电极4上放置有n型单晶硅片n-Si 3，n型单晶硅片n-Si 3上放置有二氧化硅SiO2层2，二氧化硅SiO2层2中间开有通孔，二氧化硅SiO2层2上放置有环形的金膜1，金膜1的内孔、SiO2层2中间的通孔和n型单晶硅片n-Si 3的上表面形成台阶孔，钛钯银TiPdAg背电极4一端引出导线，在台阶孔表面平铺有石墨烯薄膜5，石墨烯薄膜5一端引出导线。
一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的制备方法，包括以下步骤：
一、先将钛钯银TiPdAg背电极4、n型单晶硅片n-Si 3、环形的二氧化硅SiO2层2和环形的金膜1从下往上层叠式放置，金膜1的内孔、二氧化硅SiO2层2中间的通孔和n型单晶硅片n-Si 3的上表面形成台阶孔；
二、采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤的方法将石墨烯或石墨烯的有机悬浊液平铺在台阶孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜5与基底电极上的n-Si紧密结合；石墨烯薄膜5一端引出导线做为光伏电池的正极，钛钯银TiPdAg背电极4一端引出导线做为光伏电池的负极。
参照图2，图2是基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的能带结构示意图，通过理论计算可知，同碳纳米管/硅异质结相比，石墨烯/硅肖特基结具有更高的内建电势V0(0.55～0.75V)和能障Φb(0.75～0.95eV)。实验表明石墨烯与n型半导体硅构成了稳定的肖特基结，理想因子为1.5～1.8，整流比为104～106，内阻为9～12Ω，反向饱和电流为0.01～0.1μA，皆优于碳纳米管/硅异质结。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池，其特征在于，包括钛钯银TiPdAg背电极(4)，钛钯银TiPdAg背电极(4)上放置有n型单晶硅片n-Si(3)，n型单晶硅片n-Si(3)上放置有二氧化硅SiO2层(2)，二氧化硅SiO2层(2)中间开有通孔，二氧化硅SiO2层(2)上放置有环形的金膜(1)，金膜(1)的内孔、SiO2层(2)中间的通孔和n型单晶硅片n-Si(3)的上表面形成台阶孔，钛钯银TiPdAg背电极(4)一端引出导线，在台阶孔表面平铺有石墨烯薄膜(5)，石墨烯薄膜(5)一端引出导线。
2.一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池的制备方法，包括以下步骤：一、先将钛钯银TiPdAg背电极(4)、n型单晶硅片n-Si(3)、环形的二氧化硅SiO2层(2)和环形的金膜(1)从下往上层叠式放置，金膜(1)的内孔、二氧化硅SiO2层(2)中间的通孔和n型单晶硅片n-Si(3)的上表面形成台阶孔；二、采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤的方法将石墨烯或石墨烯的有机悬浊液平铺在台阶孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜(5)与基底电极上的n-Si紧密结合；石墨烯薄膜(5)一端引出导线做为光伏电池的正极，钛钯银TiPdAg背电极(4)一端引出导线做为光伏电池的负极。
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