CN102376787A - 一种石墨烯太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯太阳能电池及其制备方法，属于新能源技术领域，涉及太阳能电池及其制备方法。通过将石墨烯薄膜形成于半导体薄膜材料上得到石墨烯薄膜与半导体薄膜间的异质结结，通过金属电极引出，从而形成石墨烯太阳能电池。其短路电流达到5mA/cm2，开路电压达到0.2V，效率达到5％。本发明具有结构简单、大面积、低成本和效率高的特点，其制备方法简单、制造成本低廉，在新能源技术领域具有潜在的应用价值。尤其是可以获得柔性太阳能电池，预计比现有的硅太阳能电池具有更加广泛的应用价值。

Description

一种石墨烯太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于新能源技术领域，涉及太阳能电池及其制备方法，特别是一种石墨烯太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源问题一直是影响人类生存和发展的热点问题。太阳能是一种清洁，高效和永不衰竭的新能源，能够向人类提供稳定的能源供应。至19世纪中期科学家制备出第一个太阳能电池以来，太阳能电池受到了各国学者的密切关注，尤其是在当今“低碳、环保、绿色”的大环境下，如何制备出成本低廉、性能优异的太阳能电池是各国学者所关心的。太阳能电池的应用始于上世纪中期的航天事业发展。至今，可以划分为三代，第一代太阳能电池以单晶或多晶硅为材料，第二代太阳能电池则以化合物为主，第三代太阳能电池包括染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池。目前第一代硅材料太阳能电池仍然占据主导地位，市面上最常见的是晶体硅太阳能电池，其工业化产品的效率一般为13～15％。由于生产工艺复杂使得其推广难，受到很大的制约。
目前，硅太阳能电池的结构是：上部电极、无反射薄膜覆盖层、n型半导体、p型半导体以及下部电极和基板。通常情况下，n型半导体是通过离子扩散方法在p型半导体上形成n型区域，从而形成P-N结，进而形成硅太阳能电池。其中离子扩散方法所需的设备复杂，增加了硅太能电池的制造成本。同时上部电极要求具有高电导性的同时具有高透光性，通常选用非晶硅、ITO等薄膜。但其制备成本高、工艺复杂，制约了硅太阳能电池的应用。
2004年，英国曼彻斯特大学Geim教授发现的石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状结构的碳质新材料。理论研究发现：石墨烯薄膜的电导率可以与铜相比拟，同时单层石墨烯薄膜在可见光区的透光率达到97.7％，四层石墨烯的透光率仍然在90％左右。这使得石墨烯可以广泛的应用于透明电极领域。正是由于石墨烯具有诸多的优点，Geim教授及其合作者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
发明内容
本发明提供一种石墨烯太阳能电池及其制备方法。本发明石墨烯薄膜与半导体薄膜材料叠在一起形成太阳能电池，具有结构简单、大面积、低成本和效率高的特点，其制备方法简单、制造成本低廉，在新能源技术领域具有潜在的应用价值。
本发明技术方案如下：
一种石墨烯太阳能电池，如图1所示，至少包括一个石墨烯太阳能电池结构单元。所述石墨烯太阳能电池结构单元包括衬底1、下电极2、半导体薄膜3、石墨烯薄膜4和上电极5；其中，下电极位于衬底1和半导体薄膜3之间，石墨烯薄膜4位于半导体薄膜和上电极5之间，上电极5在石墨烯薄膜表面所覆盖的面积应尽量的小。
上述技术方案中：1)若所述石墨烯太阳能电池包括多个所述石墨烯太阳能电池结构单元，则多个所述石墨烯太阳能电池结构单元可以构成串联结构、并联结构或串并联混合结构；2)所述半导体薄膜3材料包括有机半导体或无机半导体；所述有机半导体为富勒烯或具有带隙的石墨烯；所述无机半导体为掺杂的硅、砷化镓、氮化镓或氧化锌；3)所述衬底1为柔性衬底或硬质衬底；所述柔性衬底为PET衬底或PE衬底，所述硬质衬底材料为硅、氧化硅、玻璃或塑料；4)所述下电极2和上电极5为金属薄膜电极；所述金属薄膜电极材料为金、钛、镍、铂、铬、铁中的一种或任意多种的合金，或任意多种的层状叠加。
在本发明创造中，石墨烯薄膜与半导体薄膜的接触界面是石墨烯太阳能电池的核心区域，在光照下能够发生光伏效应，其原因如下：当石墨烯薄膜与半导体薄膜的表面接触，由于石墨烯的能带结构与半导体材料的能带结构不同，从而导致界面处能带发生弯曲，从而使得石墨烯薄膜与半导体薄膜间的电荷发生移动，最后达到平衡状态。在平衡状态产生石墨烯薄膜与半导体薄膜界面处能带的弯曲与常见的p-n结能带弯曲具有相似的特性，在接近半导体材料的表面形成耗尽层。由于石墨烯薄膜具有高透光性，且石墨烯薄膜的电阻率很小，若给与光照，就会产生光电流，进而产生光伏效应，形成太阳能电池。
一种石墨烯太阳能电池的制备方法，首先在衬底1表面沉积金属薄膜作为下电极2，然后在下电极表面沉积半导体薄膜3，接着将石墨烯薄膜4转移至半导体薄膜3表面，最后在石墨烯薄膜上沉积金属薄膜作为上电极5。
上述石墨烯太阳能电池的制备过程中，所有工艺步骤均是成熟工艺或现有报道的方法，在此不再赘述。
本发明提供的石墨烯太阳能电池，其核心结构为石墨烯薄膜与半导体薄膜的接触体，加上上、下电极结构和衬底结构而成，具有结构简单、大面积、低成本和效率高的特点，其制备方法简单、制造成本低廉，在新能源技术领域具有潜在的应用价值。尤其是可以获得柔性太阳能电池，预计比现有的硅太阳能电池具有更加广泛的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的石墨烯太阳能电池结构示意图。其中1为衬底，2为下电极，3为半导体薄膜材料，4为石墨烯薄膜，5为上电极。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于一下实施例。
实施例1、采用氮掺杂硅作为半导体薄膜材料的石墨烯太阳能电池，其制备过程如下：
在硅衬底表面通过蒸发法制备10纳米金属钛和50纳米金属金作为下电极；再用等离子体物理气相沉积法在下电极表面制备氮掺杂的硅(掺杂浓度为2％的原子比例)作为半导体薄膜材料，其厚度为1000纳米；然后通过化学气相沉积法在金属铜表面制备石墨烯薄膜，采用石墨烯薄膜转移技术将石墨烯薄膜转移至半导体薄膜材料表面；最后在石墨烯薄膜表面通过蒸发法制备10纳米金属钛和50纳米金属金作为上电极。
测试发现该石墨烯太阳能电池的短路电流为5mA/cm2，开路电压达到0.2V，效率达到5％。
实施例2、采用硼掺杂砷化镓作为半导体薄膜材料的石墨烯太阳能电池，其制备过程如下：
在塑料衬底表面通过蒸发法制备10纳米金属镍和50纳米金属金作为下电极；再用化学气相沉积法在下电极表面制备硼掺杂的砷化镓(掺杂浓度为1％的原子比例)作为半导体薄膜材料，其厚度为200纳米；然后通过化学气相沉积法在金属铜表面制备石墨烯薄膜，采用石墨烯薄膜转移技术将石墨烯薄膜转移至半导体薄膜材料表面；最后在石墨烯薄膜表面通过蒸发法制备10纳米金属钛和50纳米金属金作为上电极。
测试发现该石墨烯太阳能电池的短路电流为3mA/cm2，开路电压达到0.3V，效率达到4％。
实施例3、采用氮掺杂石墨烯作为半导体薄膜材料的石墨烯太阳能电池，其制备过程如下：
在PET衬底表面通过蒸发法制备10纳米金属镍和50纳米金属铁作为下电极；再采用石墨烯薄膜转移技术将氮掺杂的石墨烯薄膜(掺杂浓度为5％的原子比例)转移至下电极表面作为半导体薄膜材料，其厚度为1纳米；然后通过化学气相沉积法在金属铜上制备石墨烯薄膜，采用石墨烯薄膜转移技术将石墨烯薄膜转移至半导体薄膜材料表面；最后在石墨烯薄膜表面通过蒸发法制备10纳米金属钛和50纳米金属金作为上电极。
测试发现该石墨烯太阳能电池的短路电流为4mA/cm2，开路电压达到0.2V，效率达到3％。
本发明所提供的石墨烯太阳能电池并不限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员应当知道，任何根据本发明所提供的石墨烯太阳能电池结构的描述所实现的各种石墨烯太阳能电池，均在本发明申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯太阳能电池，至少包括一个石墨烯太阳能电池结构单元；所述石墨烯太阳能电池结构单元包括衬底(1)、下电极(2)、半导体薄膜(3)、石墨烯薄膜(4)和上电极(5)；其中，下电极位于衬底(1)和半导体薄膜(3)之间，石墨烯薄膜(4)位于半导体薄膜和上电极(5)之间，上电极(5)在石墨烯薄膜表面所覆盖的面积应尽量的小。
2.根据权利要求1所述的石墨烯太阳能电池，其特征在于，多个所述石墨烯太阳能电池结构单元构成串联结构、并联结构或串并联混合结构。
3.根据权利要求1所述的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述半导体薄膜(3)材料包括有机半导体或无机半导体；所述有机半导体为富勒烯或具有带隙的石墨烯；所述无机半导体为掺杂的硅、砷化镓、氮化镓或氧化锌。
4.根据权利要求1或3所述的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)为柔性衬底或硬质衬底；所述柔性衬底为PET衬底或PE衬底，所述硬质衬底材料为硅、氧化硅、玻璃或塑料。
5.根据权利要求1、3或4所述石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述下电极(2)和上电极(5)为金属薄膜电极；所述金属薄膜电极材料为金、钛、镍、铂、铬、铁中的一种或任意多种的合金，或任意多种的层状叠加。
6.一种石墨烯太阳能电池的制备方法，首先在衬底(1)表面沉积金属薄膜作为下电极(2)，然后在下电极表面沉积半导体薄膜(3)，接着将石墨烯薄膜(4)转移至半导体薄膜(3)表面，最后在石墨烯薄膜(4)表面沉积金属薄膜作为上电极(5)。 
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