CN103311323A - 一种石墨烯/硅太阳电池及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种石墨烯/硅太阳电池及其制造方法，该石墨烯/硅太阳电池自下而上依次有背面电极、p型硅层、n型硅层、n型掺杂的石墨烯层和正面电极，石墨烯掺杂载流子浓度不低于1012cm-2。其制造包括：先将p型硅片浸入化学制绒液中，使其表面形成绒面结构；然后将制绒后的样品通过磷扩散或磷离子注入进行磷掺杂形成n型硅层；再将n型掺杂的石墨烯转移至磷掺杂n型硅层上；在p型硅层上制作背面电极；在n型掺杂的石墨烯上制作正面电极。本发明的石墨烯/硅太阳电池利用石墨烯材料能提高太阳电池的开路电压，且可以降低太阳电池的串联电阻，提高输出功率。

Description

一种石墨烯/硅太阳电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种太阳电池及其制造方法，尤其是石墨烯/硅太阳电池及其制造方法，属于太阳能技术领域。
背景技术
近年来，太阳电池作为一种新型绿色能源正在人类的可持续发展中起到越来越重要的作用。其中，硅基太阳电池，特别是晶体硅太阳电池占据市场~90%的份额。但与常规发电相比，太阳电池发电成本仍然较高，限制了大面积应用。太阳电池发电成本较高的原因之一是电池制造成本较高，另外一个主要原因是其光电转化效率较低。
自从石墨烯材料在2004年首次被稳定制备出来以后，越来越多的研究发现石墨烯材料具有优异的电学、光学性质，如极高的载流子迁移率、高透光新、高的杨氏模量等。这些独特的性质使石墨烯有可能广泛的应用于光伏发电领域。目前，已有研究者利用石墨烯以及硅材料形成的异质结做成太阳电池，测得最高转化效率8.6%。这个效率与目前晶体硅太阳电池单晶硅主流成产效率18.5%~19.0%相比还比较低。除晶体硅外，石墨烯在其他类型太阳电池上的应用也有研究，如有机太阳电池、化合物太阳电池等，但得到的效率都不高。
如前所述，石墨烯材料在太阳电池方面的应用研究还未取得可以与目前太阳电池产业化技术相匹敌的进展。想要实现石墨烯在太阳电池中的应用，发挥其独特的物理特性，还有很多技术开发工作要做。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电转化效率高，工艺简单的石墨烯/硅太阳电池及其制造方法。
本发明的石墨烯/硅太阳电池自下而上依次有背面电极、p型硅层、n型硅层、n型掺杂的石墨烯层和正面电极，石墨烯掺杂载流子浓度不低于1012cm-2。
本发明的石墨烯/硅太阳电池的制造方法，包括如下步骤：
1）将p型单晶、类单晶或多晶硅片浸入化学制绒液中，使p型硅层表面形成绒面结构；
2）将制绒后的样品通过磷扩散或磷离子注入进行磷掺杂形成n型硅层，表面掺杂浓度1018cm-3~1021cm-3，结深0.2-0.6μm；
3）采用等离子刻蚀、湿法刻蚀或者激光刻蚀法，去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至经步骤3）处理的磷掺杂的n型硅层上，石墨烯掺杂载流子浓度不低于1012cm-2；
5）在p型硅层上制作背面电极；
6）在n型掺杂的石墨烯上制作正面电极。
上述步骤1）所述的化学制绒液可以是碱的水溶液或者HF与HNO3按任意比例的混合水溶液。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是：
1、电池表面的石墨烯由于能带的影响可以提高电池的开路电压，同时由于高透光性不影响太阳光进入太阳能电池体内；
2、石墨烯可以作为导电层降低太阳电池本身的串联电阻，提高输出功率。
附图说明
图1为石墨烯/硅太阳电池的示意图；
图2为石墨烯/硅太阳电池的能带示意图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
参照图1，本发明的石墨烯/硅太阳电池自下而上依次有背面电极1、p型硅层2、n型硅层3、n型掺杂的石墨烯层4和正面电极5，石墨烯掺杂载流子浓度不低于1012cm-2。
实施例1：
1）将p型单晶硅片浸入质量浓度3%的NaOH碱溶液中，使p型硅层表面形成绒面结构；
2）将制绒后的样品放入扩散炉进行磷扩散形成n型硅层，扩散温度850℃，表面掺杂浓度1018cm-3，结深0.2μm；
3）采用激光刻蚀法，去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至磷掺杂的n型硅层上，石墨烯掺杂浓度1012 cm-2；
5）在p型硅层背面印刷Ag及Al浆料并烘干，在n型掺杂的石墨烯上印刷Ag浆料，然后放入带式烧结炉烧结，烧结温度为950℃，时间1min，背面电极和正面电极制作完成，得到石墨烯/硅太阳电池。
实施例2：     
1）将p型多晶硅片浸入HF/HNO3按体积比3：1的混合溶液中腐蚀，使p型硅层表面形成绒面；
2）将制绒后的样品放入扩散炉进行磷扩散形成n型硅层，扩散温度900℃，表面掺杂浓度1021cm-3，结深0.4μm；
3）采用等离子刻蚀去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至磷掺杂的n型硅层上，石墨烯掺杂浓度2×1013 cm-2；
5）在p型硅层背面印刷Ag及Al浆料并烘干，在n型掺杂的石墨烯上印刷Ag浆料，然后放入带式烧结炉烧结，烧结温度为850℃，时间3min，背面电极和正面电极制作完成，得到石墨烯/硅太阳电池。
实施例3：
1）将p型单晶硅片浸入质量浓度2%的NaOH碱溶液中，使p型硅层表面形成绒面结构；
2）将制绒后的样品进行磷离子注入形成n型硅层，表面掺杂浓度1019cm-3，结深0.6μm；
3）采用激光刻蚀去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至磷掺杂的n型硅层上，石墨烯掺杂浓度5×1012 cm-2；
5）在p型硅层背面热蒸发铝电极，在n型掺杂的石墨烯上热蒸发金电极，然后放入带式烧结炉烧结，烧结温度为400℃，时间30min，背面电极和正面电极制作完成，得到石墨烯/硅太阳电池。其能带示意图见图2，由图可见n型掺杂的石墨烯层对原太阳电池能带起到调制作用，可以增加电池开路电压。
实施例4
1）将p型类单晶硅片浸入质量浓度2%的NaOH碱溶液中，使p型硅层表面形成绒面结构；
2）将制绒后的样品进行磷离子注入形成n型硅层，表面掺杂浓度1020cm-3，结深0.6μm；
3）采用湿法刻蚀去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至磷掺杂的n型硅层上，石墨烯掺杂浓度1013 cm-2；
5）在p型硅层背面热蒸发铝电极，在n型掺杂的石墨烯上热蒸发银电极，然后放入带式烧结炉烧结，烧结温度为600℃，时间2min，背面电极和正面电极制作完成，得到石墨烯/硅太阳电池。
实施例5
1）将p型类单晶硅片浸入质量浓度3%的NaOH碱溶液中，使p型硅层表面形成绒面结构；
2）将制绒后的样品放入扩散炉进行磷扩散形成n型硅层，扩散温度880℃，表面掺杂浓度1020cm-3，结深0.3μm；
3）采用湿法刻蚀去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至磷掺杂的n型硅层上，石墨烯掺杂浓度5×1013 cm-2；
5）在p型硅层背面热蒸发铝电极，在n型掺杂的石墨烯上热蒸发银电极，然后放入带式烧结炉烧结，烧结温度为500℃，时间15min，背面电极和正面电极制作完成，得到石墨烯/硅太阳电池。

Claims (3)

1.一种石墨烯/硅太阳电池，其特征在于自下而上依次有背面电极（1）、p型硅层（2）、n型硅层（3）、n型掺杂的石墨烯层（4）和正面电极（5），石墨烯掺杂载流子浓度不低于1012cm-2。
2.制造权利要求1所述的石墨烯/硅太阳电池的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1）将p型单晶、类单晶或多晶硅片浸入化学制绒液中，使p型硅层表面形成绒面结构；
2）将制绒后的样品通过磷扩散或磷离子注入进行磷掺杂形成n型硅层，表面掺杂浓度1018cm-3~1021cm-3，结深0.2-0.6μm；
3）采用等离子刻蚀、湿法刻蚀或者激光刻蚀法，去除边缘掺杂层；
4）将n型掺杂的石墨烯转移至经步骤3）处理的磷掺杂n型硅层上，石墨烯掺杂载流子浓度不低于1012cm-2；
5）在p型硅层上制作背面电极；
6）在n型掺杂的石墨烯上制作正面电极。
3.根据权利要求2所述的石墨烯/硅太阳电池的制造方法，其特征在于步骤1）所述的化学制绒液为碱的水溶液或者HF与HNO3按任意比例的混合水溶液。
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