CN102931249B - 具有石墨烯的硒化镉透明薄膜太阳电池 - Google Patents

具有石墨烯的硒化镉透明薄膜太阳电池 Download PDF

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Abstract

具有石墨烯的硒化镉透明薄膜太阳电池是以硒化镉(CdSe)材料作吸收层，石墨烯为透明导电背接触层的薄膜太阳电池。这种太阳电池具有自支撑的作用，也可以移植到其他透明柔性或透明刚性衬底上。这种太阳电池具有较高的光电转换效率，同时，在近红外波段，太阳光仍然具有较高的透过率。因此，适合制作双结叠层太阳电池。

Description

具有石墨烯的硒化镉透明薄膜太阳电池
技术领域
本发明属于一种半导体薄膜太阳电池的结构设计，特别涉及一种透明薄膜太阳电池。
背景技术
采用太阳能光伏发电，将在缓解化石能源枯竭、减少温室气体排放上起着至关重要的作用。由于目前太阳能光伏发电生产成本太高，光伏发电还是不重要的补充能源。而提高太阳电池的转换效率，是降低光伏发电成本的重要途径之一。因此，人们非常重视多结叠层太阳电池的研制。
对于叠层薄膜太阳电池而言，顶电池占据整个电池发电功率的2/3以上，起着十分重要的作用，具有较宽的能隙并且在近红外波段也要有较高的透过率的材料非常适合制作顶电池。人们发现，I-III-VI族和II-VI族多元化合物通过能带调控可获得需要的宽能隙材料，如，CuGaSe2、Cu(InGa)(SeS)2、Cu(InGa)S2、CuInS2、Cd1-xZnxTe。但是，上述材料制作成顶电池后，叠层电池性能衰降程度很大。究其原因，一方面，与制作工艺复杂困难、流程偏多导致各个环节相互影响和干扰有关；另一方面，也与底电池和顶电池的工艺匹配有关，如上述材料在制作顶电池的高温过程导致材料特别是顶电池和底电池之间的过渡材料组分缺失和互扩散。因此，也有采用机械叠层的结构，如，美国可再生能源实验室(NREL)采用II-VI族化合物CdTe制备了机械叠层CdTe/CuInSe2(CIS)太阳电池(Prog Photovolt：Res Appl，2006，14：471)，但该结构也存在明显的缺陷和不足，CdTe的能隙与理想双结太阳电池中顶电池的能隙(Prog Photovolt：Res Appl，2003，11：359)相比明显偏小。
发明内容
本发明的目的是为了消除上述不足或缺陷，进一步改进双结叠层薄膜太阳电池中透明顶电池的结构设计，提出一种以硒化镉(CdSe)材料作吸收层，以石墨烯作透明导电背接触层的透明薄膜太阳电池。为实现本发明目的，本发明的技术方案是：在镀Ni的Si/SiO2基片上沉积石墨烯，随后沉积CdSe，接下来沉积p型ZnSe以及ZnO，最后涂上约10微米双酚A碳酸盐的氯仿溶液，用1mol/L的FeCl3刻蚀掉Ni层，剥离Si/SiO2基片，获得石墨烯/CdSe/ZnSe/ZnO样品，可把上述样品转移到其他可支撑的透明柔性或刚性衬底上，也可采用石墨烯本身作为自支撑透明衬底，接上引线，就获得了CdSe透明薄膜太阳电池。因此，本发明中具有石墨烯的CdSe透明薄膜电池的结构为：石墨烯/CdSe/ZnSe/ZnO，其技术特征是石墨烯作为透明电池的背接触层，ZnO作为太阳电池的透明前电极，衬底可以是石墨烯本身，也可以直接转移到其他可支撑的透明刚性衬底或者透明柔性衬底上。本发明中所说的透明导电背接触层和透明刚性或柔性衬底指的是在红外波段，太阳光仍然能以大于20％以上的透过率通过上述材料或物质，需要说明的是相对刚性沉底而言，柔性衬底可折叠。在上述方案中石墨烯为n型；CdSe为n型；ZnSe为p型，载流子浓度为1016～1019cm-3；ZnO为p型，载流子浓度为1016～1021cm-3。
CdSe薄膜室温下的能隙～1.7eV(接近理想高效双结叠层薄膜太阳电池顶电池的能隙)，而采用石墨烯作为透明背接触层，石墨烯的杨氏模量可达1.85GPa，具有自支撑的作用，可用来制作柔性太阳电池；石墨烯在0K附近电子传输速度不为零，迁移率可高达4000cm2V-1S-1，具有良好的电学性能；并且太阳光通过太阳电池中的石墨烯层，对可见光的吸收只有2.3％，在红外区石墨烯的透过率为97.7％(Vacuum，2009，83(10)：1248；Science，2008，320(5881)：1308；Phys Rev B，2008，78(8)：085432)，满足顶电池对红外光具有透明性的要求。因此，这种具有石墨烯的CdSe透明薄膜电池不管从电学性质还是光学性质来说，是顶电池的最佳选择。
附图说明
图1为剥离前CdSe透明薄膜电池的结构示意图。
图1中的符号表示是：1为Si/SiO2基片，2为Ni，3为石墨烯，4为CdSe，5为ZnSe，6为ZnO。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明的内容不仅限于实施例中涉及的内容。
在图1中，剥离前具有石墨烯的CdSe透明薄膜电池的结构为Si/SiO2基片(1)/Ni(2)/石墨烯(3)/CdSe(4)/ZnSe(5)/ZnO(6)。即首先在镀Ni的Si/SiO2基片上沉积石墨烯，随后沉积CdSe，接下来沉积p型掺氮ZnSe以及ZnO，最后涂上约10微米双酚A碳酸盐的氯仿溶液，用1mol/L的FeCl3刻蚀掉Ni层，把上述剥离的样品转移到其他透明柔性或刚性衬底上，或者直接具有自支撑的采用石墨烯(3)作为衬底，接上引线，就获得了剥离后的CdSe透明薄膜太阳电池。
CdSe透明薄膜电池满足叠层电池中顶电池高效和对底电池透明的要求。一方面，采用CdSe(4)作为透明电池的吸收层，是因为CdSe的能隙接近理想高效双结叠层薄膜太阳电池顶电池材料的能隙；另一方面，石墨烯(3)作上述透明电池的透明背接触，主要原因是在红外区石墨烯的吸收仅为2.3％，可保证底电池在红外波段具有良好的光谱响应，并且石墨烯可视为带隙很小的半导体或者是交迭很小的半金属，多层石墨烯能带交迭为4～20meV，小于石墨的值(40meV)，单层石墨烯在理论上是零带隙的半导体，因此，石墨烯具有优异的电导性能。另外，石墨烯很容易实现导电类型的转变，吸附H2O和NO2可形成p型掺杂的石墨烯，吸附NH3分子会形成n型掺杂的石墨烯，在本发明中，石墨烯很容易制作成n型材料。这样的结构设计，改进了双结叠层薄膜太阳电池中透明顶电池的结构，不但可以提高CdSe透明薄膜太阳电池的性能，而且可以将此CdSe透明薄膜太阳电池直接应用于双结两端或四端叠层电池。实施例：
1.在Si/SiO2基片(1)上，采用电子束蒸发，在真空～10-4pa蒸发300nm的Ni(2)；
2.取出上述样品，采用化学气相沉积(CVD)，常压下，在基片加热到450～1000℃，氩气和氢气气氛中通入甲烷，制备出多原子层的石墨烯(3)，并采用NH3分子吸附，获得n型石墨烯(3)；
3.取出Si/SiO2基片(1)/Ni(2)/石墨烯(3)样品，采用化学水浴法制备吸收层材料硒化镉(4)，所用药品均为分析纯试剂，采用二次去离子水配制，各成分的浓度为[CdSO4]＝0.5M，[Na2SeSO3]＝0.05M，[N(CH2COONa)3]＝0.004M，[NH4Cl]＝0.02M，沉积过程中PH值约8～10，沉积4次，厚度约300～1000nm，取出沉积后的样品，去离子水清洗，再用氮气吹干；
4.把上述Si/SiO2基片(1)/Ni(2)/石墨烯(3)/CdSe(4)样品放入溅射室，本底真空～104pa，室温下，工作气氛为氩氮气体(体积比约3∶1)，工作气压～1Pa，溅射功率20～300W，射频溅射ZnSe靶(99.999％)，同时，射频等离子放电引入氮，沉积p型掺氮硒化锌(5)，载流子浓度1×1017m-3，厚度为80nm，并保持氩氮气氛原位加热到200～350℃约10～30分钟；
4.接着，射频溅射磷掺杂的氧化锌靶(99.999％)，沉积～40nm厚度p型氧化锌(6)，载流子浓度为1017～1018cm-3；
5.随后，取出结构为Si/SiO2基片(1)/Ni(2)/石墨烯(3)/CdSe(4)/ZnSe(5)/ZnO(6)的样品，涂上约10微米双酚A碳酸盐的氯仿溶液，用1mol/L的FeCl3刻蚀掉Ni层，把上述剥离的样品转移到其他透明柔性或刚性衬底上，或者利用石墨烯的自支撑作用作为衬底，接上引线，就获得了石墨烯(3)/CdSe(4)/ZnSe(5)/ZnO(6)的CdSe透明薄膜太阳电池。

Claims (1)

1.一种具有石墨烯的硒化镉透明薄膜太阳电池，其结构为：石墨烯/CdSe/ZnSe/ZnO，其特征是：石墨烯作为透明电池的背接触层，ZnO作为太阳电池的透明前电极，衬底是石墨烯本身，或直接转移到可支撑的透明柔性衬底上；所述石墨烯为n型；CdSe为n型；ZnSe为p型，载流子浓度为1016～1019cm-3；ZnO为p型，载流子浓度为1016～1021cm-3。
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