CN103107229B - 石墨烯/半导体多结级联太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池及其制备方法。该太阳电池包括依次键合串联的倒装PN结型多结电池、金属纳米粒子以及肖特基单结电池，其中单结电池包括导电衬底及设于导电衬底一端面的石墨烯膜，而金属纳米粒子分别与前述多结电池中远离衬底的欧姆接触层和石墨烯膜形成欧姆接触；其制备工艺包括：将前述多结电池、金属纳米粒子及单结电池依次键合串联，再去除多结电池的衬底，并制作顶、底电极。本发明采用肖特基结单结电池代替PN结型电池，可以简化制作工艺、降低成本，而采用金属纳米粒子可使晶片主要依靠范德华力结合，键合所需压力低，避免直接键合工艺引起的电池性能退化，并降低键合界面的串联电阻，进一步提高太阳电池的转换效率。

Description

石墨烯/半导体多结级联太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，尤其涉及一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池及其制备方法。
背景技术
目前效率最高的多结电池(聚光效率43.5％)为GaAs衬底上晶格失配的GaInP/GaAs/InGaAs(1.9/1.42/1.0eV)三结电池和晶格匹配GaInP/GaAs/InGaAsN(1.9/1.42/1.0eV)三结电池。为进一步提高电池效率，需要增加第四结电池以增大太阳光谱的吸收范围。目前的技术方案主要有三种：
(1)晶格失配生长，即在GaAs衬底上生长GaInP/GaAs/InGaAs/InGaAs(1.9/1.42/1.0/0.76eV)四结电池或在Ge上生长GaInP/GaAs/InGaAs三结电池；
(2)晶格匹配生长，在Ge上生长GaInP/GaAs/InGaAsN三结电池；
(3)键合技术，将GaInP/GaAs/InGaA三结电池或GaInP/GaAs/InGaAsN三结电池与Ge电池键合或GaAs衬底上的GaInP/GaAs双结电池与InP衬底上的GaInAsP/InGaAs(1.05/0.76eV)双结电池键合。
但前述的这些技术方案均存在各自的困难，例如，在三结电池的晶格失配生长的基础上再继续生长第四结电池会使材料质量更差，而在Ge衬底上生长晶格匹配和/或晶格失配半导体多结电池时存在反相畴和互扩散等问题，使Ge衬底上的GaInP/GaAs/InGaAs晶格失配生长和GaInP/GaAs/InGaAsN晶格匹配生长均比GaAs衬底上的生长困难很多。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池，以解决不同技术方案中Ge衬底上四结电池制作中存在的困难或制作低成本的III-V族/Si多结太阳电池，藉以克服现有技术中多结电池难以制作、成本高等缺陷。
本发明的另一目的在于提供一种制备前述石墨烯/半导体多结级联太阳电池的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池，包括依次键合串联的剥离衬底的倒装PN结型多结电池、金属纳米粒子以及肖特基单结电池，其中，所述肖特基单结电池包括导电衬底及覆设于所述导电衬底一端面上的石墨烯膜，而所述金属纳米粒子分别与所述倒装PN结型多结电池中远离被剥离衬底的第一欧姆接触层和所述石墨烯膜形成欧姆接触。
所述倒装PN结型多结电池的衬底可选用但不限于GaAs衬底。
所述导电衬底可选用但不限于Si或Ge衬底。
所述石墨烯/半导体多结级联太阳电池还可包括：
与所述倒装PN结型多结电池中被剥离衬底后露出的第二欧姆接触层配合的第一欧姆电极；
以及，与所述导电衬底的另一端面配合的第二欧姆电极。
进一步的，所述PN结型倒装多结电池的带隙沿远离被剥离GaAs衬底的方向逐渐减小，并且所述PN结型倒装多结电池的带隙大于所述肖特基单结电池中导电衬底的带隙。
作为较为优选的实施方案之一，所述第一欧姆电极上还覆设有抗反射膜。
作为较为优选的实施方案之一，所述石墨烯膜采用单层石墨烯。
作为较为优选的实施方案之一，所述倒装PN结型多结电池包括GaInP/GaAs双结电池。
如上所述石墨烯/半导体多结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，包括：
(1)提供在衬底上形成的倒装PN结型多结电池和主要由导电衬底和覆设于导电衬底一端面的石墨烯膜组成的肖特基单结电池；
(2)在远离衬底方向的倒装PN结型多结电池表面制备直径均匀、密度均匀的金属纳米粒子；
(3)将所述倒装PN结型多结电池、金属纳米粒子和所述肖特基单结电池依次键合串联，并使所述金属纳米粒子分别与所述倒装PN结型多结电池中远离被剥离衬底的第一欧姆接触层和所述石墨烯膜形成欧姆接触；
(4)剥离所述倒装PN结型多结电池的衬底，并在所述倒装PN结型多结电池中被剥离衬底后露出的第二欧姆接触层上形成第一欧姆电极，而在所述导电衬底的另一端面配合的第二欧姆电极。
作为较为优选的实施方案之一，所述肖特基单结电池的制备工艺包括：
将预先制备的单层石墨烯转移到导电衬底表面，形成肖特基单结电池。
与现有技术相比，本发明至少具有下列优点：
(1)采用单层石墨烯/Ge或Si肖特基结单结电池代替PN结型Ge或Si电池，可以简化Ge或Si电池制作工艺、降低电池成本；
(2)键合界面处的金属纳米粒子分别与PN结型多结电池、肖特基结型单结电池通过欧姆接触连接，使键合过程中晶片主要依靠范德华力结合，所需键合压力较低，避免直接键合工艺中高压条件引起的电池性能退化现象，降低键合界面的串联电阻，并进一步提高了太阳电池的转换效率。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例中一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池的制备工艺流程图；
图2是本发明一较佳实施例中一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
本发明的一个方面旨在提供一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池，作为其中较为优选的实施方案之一，其可包括：
倒装生长的PN结型多结电池、金属纳米粒子和单层石墨烯/Ge或Si肖特基结单结太阳电池，所述PN结型多结电池和肖特基结型单结电池键合串联，其中键合界面处的金属纳米粒子分别与多结电池和肖特基结电池形成欧姆接触。
本发明的另一方面旨在提供一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池的制备方法，作为其中较为优选的实施方案之一，其可包括：
在衬底上倒装生长PN结型多结电池，然后在PN结型多结电池表面制备直径均匀、密度均匀的金属纳米粒子，转移单层石墨烯至Ge(或Si)衬底表面制备肖特基结太阳电池，接着通过键合将PN结型多结电池和肖特基结型单结电池串联，然后剥离衬底以循环利用，最后在Ge或Si衬底面制作底欧姆接触电极，在另一面制作正面栅状欧姆接触电极和抗反射膜。
本发明中单层石墨烯/Ge或Si肖特基结单结电池代替PN结型Ge或Si电池可以简化Ge或Si电池制作工艺、降低电池成本，且键合界面处的金属纳米粒子分别与PN结型多结电池、肖特基结型单结电池通过欧姆接触连接，使键合过程中晶片主要依靠范德华力结合，所需压力较低，避免直接键合工艺中高压条件引起的电池性能退化现象，降低键合界面的串联电阻，并可进一步提高太阳电池的转换效率。
下面结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案作详细说明。
本实施例所涉及的石墨烯/半导体多结级联太阳电池系以GaAs衬底上形成的GaInP/GaAs倒装双结电池和石墨烯/Si肖特基单结电池通过金属纳米粒子键合连接制备，其结构请参阅图2。
进一步的，参阅图1，该石墨烯/半导体多结级联太阳电池的制备过程主要为：
参阅图1中a所示，采用倒装生长方式在GaAs衬底1上依次生长欧姆接触层2、窗口层3、P型层4和N型层5组成的GaInP子电池，隧穿结6、P型层7和N型层8组成的GaAs子电池、欧姆接触层9形成GaAs基GaInP/GaAs倒装双结电池，并在该双结电池表面设置金属纳米粒子10。
参阅图1中b所示，采用本领域人员悉知的通用转移方法将制备好的单层石墨烯12转移到N型Si衬底11表面形成肖特基结，获得单层石墨烯/Si肖特基结电池。
再参阅图1中c所示结构，将前述GaInP/GaAs倒装双结电池、金属纳米粒子和石墨烯/Si肖特基结单结电池依次键合串联，其中金属纳米粒子分别与欧姆接触层9和单层石墨烯12欧姆接触连接。
其后，请继续参阅图1中d所示，将图1中c所示器件中的GaAs衬底1剥离以循环利用，并在剥离衬底1后露出的欧姆接触层2上制备上金属电极12，在所述Si衬底的裸露表面上制备下金属电极13，最后在上金属电极12一侧制作抗反射膜14，获得图2所示器件成品。
以上所述仅是本发明的优选实例之一，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干细节变化，这些细节变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，包括依次键合串联的剥离衬底的倒装PN结型多结电池、金属纳米粒子以及肖特基单结电池，其中，所述肖特基单结电池包括导电衬底及覆设于所述导电衬底一端面上的石墨烯膜，而所述金属纳米粒子分别与所述倒装PN结型多结电池中远离被剥离衬底的第一欧姆接触层和所述石墨烯膜形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，所述倒装PN结型多结电池的衬底包括GaAs衬底。
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，所述导电衬底包括Si或Ge衬底。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，它还包括：
与所述倒装PN结型多结电池中被剥离衬底后露出的第二欧姆接触层配合的第一欧姆电极；
以及，与所述导电衬底的另一端面配合的第二欧姆电极。
5.根据权利要求3所述的石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，所述PN结型倒装多结电池的带隙沿远离被剥离GaAs衬底的方向逐渐减小，并且所述PN结型倒装多结电池的带隙大于所述肖特基单结电池中导电衬底的带隙。
6.根据权利要求4所述的石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，所述第一欧姆电极上还覆设有抗反射膜。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/半导体多结级联太阳电池，其特征在于，所述石墨烯膜采用单层石墨烯。
8.如权利要求1-7中任一项所述石墨烯/半导体多结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，包括：
(1)提供在衬底上形成的倒装PN结型多结电池和主要由导电衬底和覆设于导电衬底一端面的石墨烯膜组成的肖特基单结电池；
(2)在远离衬底方向的倒装PN结型多结电池表面制备粒径和密度均匀的金属纳米粒子；
(3)将所述倒装PN结型多结电池、金属纳米粒子和所述肖特基单结电池依次键合串联，并使所述金属纳米粒子分别与所述倒装PN结型多结电池中远离被剥离衬底的第一欧姆接触层和所述肖特基电池中的石墨烯膜形成欧姆接触；
(4)剥离所述倒装PN结型多结电池的衬底，并在所述倒装PN结型多结电池中被剥离衬底后露出的第二欧姆接触层上形成第一欧姆电极，而在所述导电衬底的另一端面配合的第二欧姆电极。
9.如权利要求8所述石墨烯/半导体多结级联太阳电池的制备方法，其特征在于，所述肖特基单结电池的制备工艺包括：
将预先制备的单层石墨烯转移到导电衬底表面，形成肖特基单结电池。
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