CN102254963A - 一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
基于石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池及其制造方法，在单晶半导体衬底上热氧化生成氧化硅(SiO2)作为隔离层，腐蚀SiO2隔离层形成窗口并在窗口内采用光刻和干法刻蚀的方法制备出硅柱阵列，在衬底背面蒸发金属作为背电极，在隔离层上制备金属前电极，最后将石墨烯转移或旋涂到硅柱阵列上并与前电极相连；该太阳能电池结构简单，易于制备，不仅可以有效减少入射光的反射，而且增大了肖特基结接触面积，从而达到提高太阳能电池的转换效率的目的。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池及其制造方法。
背景技术
目前，世界经济的发展还是主要得益于化石能源的广泛应用。然而，这一经济的资源载体将在本世纪上半叶几近枯竭。同时，大量使用化石能源已经带来了相当严重的环境问题，其中最突出的是温室效应的加剧。全球能源危机与环境问题给各种新型清洁能源发展带来了前所未有的机会。其中，太阳能发电具有很多不可比拟的优势。太阳能的能量巨大，取之不尽，用之不竭，分布范围广，适合全球大部分地区利用，使用材料安全可靠，无环境污染，具有很大的开发利用前景。太阳能光伏电池是基于光生伏特效应，直接将光能转化为电能。目前光伏电池多数是基于单晶硅的太阳能电池。由于集成电路的迅猛发展，硅加工工艺日趋成熟，目前单晶硅太阳能电池的效率已达到＞20％，接近其极限效率。但是单晶硅太阳能电池的制备工艺复杂，能耗高，污染较大，成本也较为昂贵，因而为了实现光伏转化效率与成本的折中，寻找新的光伏电池材料和简化制备工艺已成为目前的研究趋势。
在新型光伏材料中，石墨烯表现出了巨大的应用潜力。石墨烯是六角蜂窝状排列的二维平面晶体，具有优异的电学、光学、热学和机械性能，同时石墨烯电阻率低(几十至几百Ω/□)，透光率高(97.7％)，完全符合太阳能电池对前电极的性能要求。尤其是在大面积生产石墨烯已成为可能的情况下，石墨烯有望用来进一步降低太阳能电池的生产成本并提高太阳能电池效率。
清华大学朱宏伟研究小组已研究出基于石墨烯/硅肖特基结光伏电池，其转换效率达到1.7％(Graphene-On-Silicon Schottky Junction Solar Cells，Adv.Mater.2743(2010))。虽然转换效率并不高，但石墨烯/硅肖特基结已显示出了在光伏电池应用上的优势。主要表现为：制备工艺非常简单，成本低，并且更加环保。文献中石墨烯/硅肖特基结采用平面结构，而平面结构往往不能有效的利用入射光能量，如平面硅在可见光范围内的反射率高达30％以上，造成了大量能量的损失。针对这一情况，采用非平面结构能够有效地减小入射光的反射。当硅衬底不是平面而是硅柱阵列时，光线入射到硅柱阵列表面，入射光线在柱壁间进行多次反射，增长了光的传播路径，增强了半导体对入射光的吸收，从而有利于提高光伏电池的能量转换效率。另外，由于石墨烯具有良好的柔韧性，能与整个硅柱(包括侧壁)良好接触，因而增大了有效结面积，产生更多的光生载流子，有利于提高太阳能电池的能量转换效率。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，提高石墨烯/硅肖特基结光伏电池效率，本发明的目的在于提供一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池及其制造方法，石墨烯/硅柱阵列肖特基结的光伏电池只增加一步工艺，利用半导体本身结构特点而不引入其他材料，制备工艺简单，成本低，不仅有减反作用，还可以增大结面积，可获得较高的能量转换效率。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上面热氧化生长有SiO2隔离层2，在单晶硅衬底1背面淀积有金属背电极3，在SiO2隔离层2上开窗口形成有效结区，在结区中制备有硅柱阵列4，在SiO2隔离层2的窗口周围淀积有金属前电极5，并将石墨烯薄膜6转移或旋涂在硅柱阵列4上。
一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池及其制造方法，包括以下步骤：
一、在单晶硅衬底1上热生长SiO2作为SiO2隔离层2；
二、湿法刻蚀单晶硅衬底1背面氧化层，并在单晶硅衬底1背面采用溅射或电子束蒸发金属作为背电极3；
三、通过湿法腐蚀正面SiO2隔离层2形成窗口，露出单晶硅衬底1表面，用于定义肖特基结面积和光照区域，在此区域中再通过光刻和干法刻蚀形成硅柱阵列4；
四、采用剥离(lift-off)的方法在SiO2隔离层2的窗口周围溅射或电子束蒸发金属形成金属前电极5；
五、通过直接转移或旋涂的方法将石墨烯薄膜6覆盖到硅柱阵列4上，并与金属前电极5相接触，最终形成石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池。
所述的单晶硅衬底1为n型，晶向为100或111，电阻率为2-3Ω·cm。
所述的SiO2隔离层2为采用热氧化方法生长的SiO2，厚度为200-400nm。
所述金属背电极3采用的金属材料为钛(Ti)/钯(Pd)/金(Au)或钛(Ti)/钯(Pd)/银(Ag)堆叠结构，与单晶硅衬底1形成欧姆接触。
所述的硅柱阵列4是采用反应离子刻蚀(RIE)或电感耦合等离子体刻蚀(ICP)形成的圆柱、方柱或不规则柱形，阵列的排布方式是三角阵、方阵或不规则排列。
所述金属前电极5采用的金属材料为钛(Ti)/金(Au)堆叠结构，与石墨烯6形成欧姆接触。
所述石墨烯6是通过CVD方法生长而直接转移的，或是通过化学方法制备的石墨烯分散液通过旋涂得到的。
所述的硅柱阵列4采用光刻和干法刻蚀的方法制备，刻蚀的方法选择RIE或ICP。
同现有平面结构的石墨烯/硅肖特基结光伏电池相比，本发明具有以下几个优点：
1.硅柱阵列只需要一步光刻和刻蚀工艺，就可以使得入射光反射率大幅度降低；
2.增大了石墨烯与硅的接触面积，有利于太阳能电池效率的提高；
综合上述基于石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池材料及结构特点，相比于单晶硅太阳能电池，其制备工艺简化，成本降低，且更加绿色环保；相比于平面型的石墨烯/硅肖特基结光伏电池，在性能上具有较大提高，因而在光伏电池的应用中具有更大的应用潜能。
本发明的有益效果为：所述石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池可以和现有超大规模集成电路工艺兼容，易于大规模生产，具有制备工艺简单，工艺成本低的优点；参照图1，相比较平面硅结构，石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池结构在紫外可见光谱内具有更小的反射系数，具有更大的结面积，从而可获得更高的能量转换效率。
附图说明
图1a是平面硅衬底的反射原理示意图。
图1b是本发明结构具有减反作用的原理示意图。
图2a是本发明的制备过程示意图。
图2b是硅柱阵列示意图。
图2c是硅柱阵列的扫描电子显微照片(SEM)截面图。
图3是本发明结构剖面示意图。
图4a是圆形三角阵俯视示意图。
图4b是圆形三角阵SEM照片。
图4c是圆形方阵俯视示意图。
图4d是圆形方阵SEM照片。
图4e是方形三角阵俯视示意图。
图4f是方形三角阵光学照片。
图4g是方形方阵俯视示意图。
图4h是方形方阵光学照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式详细介绍本发明的内容。
参照图2(a)，基于石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池，包括单晶硅衬底1，单晶硅衬底1上面热生长二氧化硅SiO2隔离层2，单晶硅衬底1背面淀积金属背电极3，在SiO2隔离层2上开窗口形成有效结区，在结区中制备有硅柱阵列4，降低入射光反射率。在SiO2隔离层2的窗口周围淀积有金属前电极5，将石墨烯6转移或旋涂到硅柱阵列4上。
实施例一
本实施例制作石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池时，首先将n型(100)电阻率2-3Ω·cm的单晶硅衬底1热氧化，热氧化生长300nm厚的SiO2作为SiO2隔离层2，采用湿法腐蚀的方法去除硅衬底1背面的氧化层，然后在单晶硅衬底1背面溅射金属电极作为背电极3，背电极3为Ti/Pd/Au堆叠结构，其厚度分别为10nm，5nm，30nm。湿法刻蚀SiO2隔离层2，形成窗口，露出硅表面，采用RIE的方法刻蚀硅表面形成硅柱阵列4，刻蚀时间为60s。硅柱的直径为2微米，高度为200纳米，间距为2微米，最后采用电子束蒸发和剥离(lift-off)的方法在隔离层窗口周围制备金属前电极5，金属材料为Ti/Au，厚度分别为10nm和50nm。将CVD生长的石墨烯直接转移到硅柱阵列4上，使石墨烯与硅柱接触，并和金属前电极5接触，形成石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池。
实施例二
本实施例制作石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池，与实施例一相似，不同点是采用ICP的方法刻蚀单晶硅衬底1形成硅柱阵列，硅柱的高度为620nm。
实施例三：
本实施例制作石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池，与实施例一相似，不同点是采用ICP的方法刻蚀单晶硅衬底1形成硅柱阵列，硅柱的高度为915nm。
实施例四：
本实施例制作石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池，与实施例一相似，不同点是采用旋涂石墨烯分散液的方法在硅柱阵列4上涂覆一层石墨烯6，形成石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池。
实施例五：
本实施例制作石墨烯/硅柱阵列肖特基光伏电池，与实施例一相似，不同点是采用n型(111)单晶硅衬底。
本文中的具体实施方式仅是本发明的几个比较典型实施例，但是这样的描述并不用来以任何方式限定本发明，凡是使用石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池均属于本发明范畴。
图1(a)所示的平面硅结构具有较大的入射光反射损失，单晶硅衬底在紫外-可见光区域的反射率高达30％以上，而通过对平面硅衬底进行图形化刻蚀，形成硅柱阵列，则可以使入射光在硅柱表面经过多次反射，增大了对入射光的吸收，减小反射损失，如图1(b)所示。此外，这种结构还能增大肖特基结面积，有利于提高太阳能电池效率。
图4a-h是硅柱阵列4的形状及排布示意图及相应的SEM照片。图中的硅柱阵列4是圆柱和方柱两种形式，阵列的排布方式是三角阵和方阵。
Claims (9)
1.一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池，其特征在于，包括单晶硅衬底(1)，单晶硅衬底(1)上面热氧化生长有SiO2隔离层(2)，在单晶硅衬底(1)背面淀积有金属背电极(3)，在SiO2隔离层(2)上开窗口形成有效结区，在结区中制备有硅柱阵列(4)，在SiO2隔离层(2)的窗口周围淀积有金属前电极(5)，并将石墨烯薄膜(6)转移或旋涂在硅柱阵列(4)上。
2.一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、在单晶硅衬底(1)上热生长SiO2作为SiO2隔离层(2)；
二、湿法刻蚀单晶硅衬底(1)背面氧化层，并在单晶硅衬底(1)背面采用溅射或电子束蒸发金属作为背电极(3)；
三、通过湿法腐蚀正面SiO2隔离层(2)形成窗口，露出单晶硅衬底(1)表面，用于定义肖特基结面积和光照区域，在此区域中再通过光刻和干法刻蚀形成硅柱阵列(4)；
四、采用剥离(lift-off)的方法在SiO2隔离层(2)的窗口周围溅射或电子束蒸发金属形成金属前电极(5)；
五、通过直接转移或旋涂的方法将石墨烯薄膜(6)覆盖到硅柱阵列(4)上，并与金属前电极(5)相接触，最终形成石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述的硅柱阵列(4)是采用反应离子刻蚀(RIE)或电感耦合等离子体刻蚀(ICP)形成的圆柱、方柱或不规则柱形，阵列的排布方式是三角阵、方阵或不规则排列。
4.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述的单晶硅衬底(1)为n型，晶向为100或111，电阻率为2-3Ω·cm。
5.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述的SiO2隔离层(2)为采用热氧化方法生长的SiO2，厚度为200-400nm。
6.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述石墨烯(6)是通过CVD方法生长而直接转移的，或是通过化学方法制备的石墨烯分散液通过旋涂得到的。
7.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述所述金属背电极(3)采用的金属材料为钛(Ti)/钯(Pd)/金(Au)或钛(Ti)/钯(Pd)/银(Ag)堆叠结构，与单晶硅衬底1形成欧姆接触。
8.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述金属前电极(5)采用的金属材料为钛(Ti)/金(Au)堆叠结构，与石墨烯(6)形成欧姆接触。
9.根据权利要求2所述的一种石墨烯/硅柱阵列肖特基结光伏电池的制造方法，其特征在于，所述的硅柱阵列(4)采用光刻和干法刻蚀的方法制备，刻蚀的方法选择RIE或ICP。
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