CN103325855A - 太阳能电池结构及其制备方法 - Google Patents

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董建荣
李奎龙
孙玉润
曾徐路
赵春雨
赵勇明
杨辉
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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种设有石墨烯/金属纳米颗粒复合电极的太阳能电池，其从下至上依次包括衬底、电池层及顶电池窗口层，还包括分散在所述顶电池窗口层表面、并与所述顶电池窗口层成欧姆接触的金属纳米颗粒层，以及覆设于所述金属纳米颗粒层上、并与所述金属纳米颗粒层成欧姆接触的石墨烯层。本发明还提供这种太阳能电池的制备方法。本发明采用石墨烯/金属纳米颗粒形成的透明复合电极代替原有的金属栅电极，能减少电极对光线的遮挡，能大大提高光吸收效率和光电转化效率，具有良好的应用前景。

Description

太阳能电池结构及其制备方法
技术领域
本发明设计半导体材料的技术领域，尤其是一种新型太阳能电池的结构及其制备方法。
背景技术
半导体材料太阳电池器件制备中，一方面由于其窗口层材料的方块电阻相对较大，使光生载流子的横向运输受到限制，所以需要制备栅线金属电极以更好地收集电流，导致栅线金属电极遮挡部分入射光，降低了有效的光吸收面积。而另一方面，光照面反射引起的光损失也是电池的光吸收效率低的一个原因。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明提供一种太阳能电池结构，从下至上依次包括衬底、电池组件、顶电池窗口层，还包括分散在所述顶电池窗口层表面、并与所述顶电池窗口层成欧姆接触的金属纳米颗粒层，以及覆设于所述金属纳米颗粒层上、并与所述金属纳米颗粒层成欧姆接触的石墨烯层。
优选地，还包括设置在所述石墨烯层表面的抗反膜。
优选地，还包括设置于所述石墨烯层表面的顶电极；以及设置于所述衬底底部的底电极，用于与外电路电连接。
优选地，所述电池组件为多结电池，所述电池组件包括至少两个电池层以及形成于两相邻电池层之间的隧道结。
优选地，所述石墨烯层为单层石墨烯；所述衬底材质为GaAs、InP、Ge或Si任一种；所述抗反膜的材质为SiO2、TiO2、MgF或ZnS。
优选地，所述金属纳米粒子材料为金、锗、镍、钛、铂、银、铜中的一种或多种。
优选地，所述金属纳米颗粒层的直径范围为10～150nm，并具有纳米陷光效应。
本发明还提供这种太阳能电池结构的制备方法，包括如下步骤：
A、在衬底上依次生长电池组件、顶电池层、顶电池窗口层；
B、在顶电池窗口层表面制备金属纳米颗粒层；
C、然后将一石墨烯层覆设于所述金属纳米颗粒层上；
D、在所述石墨烯层上生长顶电极、抗反膜；
E、在所述衬底底部生长底电极。
优选地，利用金属有机化学气相沉积法(MOCVD)或分子束外延法(MBE)生长各层电池材料和隧道结。
优选地，采用化学湿法或旋涂法在顶电池窗口层表面制备金属纳米颗粒层。
优选地，所述石墨烯采用化学气相沉积技术制备(CVD)。
优选地，所述石墨烯层是采用干法转移或湿法转移至所述金属纳米颗粒层上的。
有益效果：
本发明提供采用石墨烯/金属纳米颗粒复合形成的透明电极替代了传统电池中的条形金属栅电极，可以消除太阳能电池表面栅线电极造成遮光影响。同时，具有纳米陷光效应的金属钠米颗粒可以降低光照面的反射，增强太阳光的吸收效率，提高电池的转换效率，同时降低多结太阳电池的成本，加快太阳能发电技术的应用与发展。
附图说明
图1是本发明实施例1四结级联太阳电池的结构示意图。
图2是本发明实施例1四结级联太阳电池未形成底电极前的俯视图。
图3是本发明实施例2三结级联太阳电池的结构示意图。
图4是本发明实施例3双结级联太阳电池的结构示意图。
图5是本发明实施例4单结级联太阳电池的结构示意图。
具体实施方式
下面，将结合附图对本发明实施例作详细说明。
实施例1
参阅图1、图2所示，本实施例提供一种GaAs基石墨烯/金属纳米粒子复合电极GaInP/GaAs/InGaAs/InGaAs(1.9/1.42/1.0/0.7eV)四结级联太阳电池，其结构从下至上包括：
底电极10，Si支撑衬底11，太阳能电池组件A，顶电池窗口层19，以及分散在所述顶电池窗口层19表面、并与所述顶电池窗口层19成欧姆接触的金纳米颗粒层20，和覆设于所述金纳米颗粒层20上、并与所述金纳米颗粒层20成欧姆接触的石墨烯层30，在石墨烯层30上生长顶电极40和抗反膜50；其中四结级联的太阳能电池组件A结构是：从下至上生长的第一电池层12、第一隧道结13、第二电池层14、第二隧道结15、第三电池层16、第三隧道结17、第四电池层18。
下面介绍这种太阳能电池的制备方法：
A、采用MOCVD的方法在GaAs生长衬底上依次倒装生长AlInP顶电池窗口层19，GaInP作为第四电池层18，GaInP/AlGaAs形成第三隧道结17，GaAs形成第三电池层16，GaAs/GaAs形成第二隧道结15，InGaAs形成第二电池层14，GaAs/GaAs形成第一隧道结13，InGaAs形成第一电池层12。将所述第一电池层12的另一端面与Si支撑衬底11键合，采用湿法腐蚀去除GaAs生长衬底，露出AlInP顶电池窗口层19。其中，第一电池层12与第二电池层14均与GaAs衬底晶格失配，第三电池层16与第四电池层18均与GaAs衬底晶格匹配。
B、采用化学湿法在AlInP顶电池窗口层19表面制备金纳米颗粒层20，与所述顶电池窗口层19形成欧姆接触，金纳米颗粒直径范围为10～50nm。
C、采用化学气相沉积技术(CVD)在铜金属衬底上制作一单层石墨烯，再采用干法转移方法(例如热缓释胶带转移法)将该单层石墨烯转移并覆设于所述金纳米颗粒层20上形成石墨烯层30，并与所述金纳米颗粒层形成欧姆接触。
D、采用磁控溅射在所述石墨烯层30上生长金锗镍金顶电极40和SiO2/TiO2作为抗反膜50。
E、最后在所述Si支撑衬底底部蒸铝作为底电极10。
从图2可直观地展示，本实施例形成的四结级联太阳能电池，采用石墨烯/金属纳米颗粒复合形成的透明电极替代了传统电池中的条形金属栅电极，避免了金属栅电极遮光而影响光吸收效率；同时利用纳米陷光效应降低光的反射，增加电池有效的光吸收面积和光吸收效率，以进一步提高太阳电池的光电转换效率，同时降低多结太阳电池的成本。
实施例2
本实施例提供一种Ge基石墨烯/金属纳米粒子复合电极GaInP/GaAs/Ge(1.9/1.42/0.66eV)三结太阳电池。如附图3，其结构从下至上包括：
底电极10；以及在Ge衬底11上生长多结电池组件B，包括生长第一电池层12、第一隧道结13、第二电池层14、第二隧道结15、第三电池层16；在多结电池组件B表面设有顶电池窗口层19；分散在所述顶电池窗口层19表面、并与所述顶电池窗口层19成欧姆接触的银纳米颗粒层20；覆设于所述银纳米颗粒层20上、并与所述银纳米颗粒层20成欧姆接触的石墨烯层30；以及生长在石墨烯层上的30顶电极40和抗反膜50。
下面介绍这种太阳能电池的制备方法：
A、采用MOCVD的方法在Ge衬底11上依次正装生长Ge作为第一电池层12，GaAs/GaAs作为第一隧道结13，GaAs作为第二电池层14，GaInP/A1GaAs作为第二隧道结15，GaInP作为第三电池层16及AlInP作为顶电池窗口层19。其中，第一电池层12、第二电池层14与第三电池层16均与Ge衬底11晶格匹配。
B、采用旋涂法在AlInP顶电池窗口层19表面制备银纳米颗粒层20，银纳米颗粒直径范围为50～100nm。
C、采用CVD法在铜金属衬底上制作一单层石墨烯，再采用湿法转移方法将该单层石墨烯覆设于所述银纳米颗粒层20上形成石墨烯层30，并与所述银纳米颗粒层20形成欧姆接触。
D、采用磁控溅射在所述石墨烯层30上生长一层金锗镍金作为顶电极40和MgF/ZnS作为抗反膜50。
E、最后在所述Ge衬底11底部蒸镀一层钛钯银作为底电极10。
实施例3
本实施例提供一种InP基石墨烯/金属纳米粒子复合电极GaInAsP/InGaAs(1.05/0.76eV)双结太阳电池。
本实施例提供的双结级联太阳能电池，如附图4，其结构包括：
底电极10；以及在衬底11上依次生长的多结电池组件C，其包括第一电池层12，第一隧道结13，第二电池层14；在多结电池组件C表面形成的顶电池窗口层19；以及分散在所述顶电池窗口层19表面、并与所述顶电池窗口层19成欧姆接触的镍纳米颗粒层20；覆设于所述镍纳米颗粒层20上、并与所述镍纳米颗粒层20成欧姆接触的石墨烯层30；以及生长在石墨烯层30上的顶电极40和抗反膜50。
下面介绍这种太阳能电池的制备方法：
A、采用MOCVD的方法在InP衬底11上依次正装生长GaInAsP作为第一电池层12，InGaAs/InGaAs作为第一隧道结13，InGaAs作为第二电池层14，InP作为顶电池窗口层19。其中，第一电池层12与第二电池层14均与InP衬底11晶格匹配。
B、采用旋涂法在InP顶电池窗口层19表面制备镍纳米颗粒层20，镍纳米颗粒直径范围为100～150nm。
C、采用CVD的方法在铜金属衬底上沉积一单层石墨烯，再采用干法转移方法将该单层石墨烯覆设于所述镍纳米颗粒层20上，形成石墨烯层30，并与所述镍纳米颗粒层20欧姆接触。
D、采用磁控溅射在所述石墨烯层30上生长一层金锗镍金作为顶电极40和MgF/ZnS作为抗反膜50。
E、最后在所述InP生长衬底11底部蒸镀一层钛钯银作为底电极10。
实施例4
本实施例提供一种GaAs基石墨烯/金属纳米粒子复合电极GaAs(1.42eV)单结太阳电池。
本实施例提供的这种单结级联太阳能电池，如附图5，其结构包括：
底电极10；以及在衬底11上生长的第一电池层12，形成单结电池；然后在第一电池层12表面形成的顶电池窗口层19；以及分散在所述顶电池窗口层19表面、并与所述顶电池窗口层19成欧姆接触的钛纳米颗粒层20；和覆设于所述钛纳米颗粒层20上、并与所述钛纳米颗粒层20成欧姆接触的石墨烯层30；以及生长在石墨烯层30上的顶电极40和抗反膜50。
下面介绍这种太阳能电池的制备方法：
A、采用MOCVD的方法在GaAs衬底11上依次正装生长GaAs作为第一电池层12，AlInP作为顶电池窗口层19。
B、采用旋涂法在GaAs顶电池窗口层19表面制备钛纳米颗粒层20，钛纳米颗粒直径范围为10～50nm。
C、采用CVD的方法在铜金属衬底上沉积一单层石墨烯，再采用干法转移方法将该单层石墨烯覆设于所述钛纳米颗粒层20上，形成石墨烯层30，并与所述钛纳米颗粒层20欧姆接触。
D、采用磁控溅射在所述石墨烯层30上生长一层金锗镍金作为顶电极40和MgF/ZnS作为抗反膜50。
E、最后在所述GaAs生长衬底11底部蒸镀一层钛钯银作为底电极10。
所述技术领域的技术人员应该知道，具有陷光效应的金属颗粒均可以实现本发明的目的，例如在其他实施例中，所述金属纳米粒子材料还可以是铜、锗或铂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (10)

1.一种太阳能电池结构，从下至上依次包括衬底、电池组件、顶电池窗口层，其特征在于，还包括分散在所述顶电池窗口层表面、并与所述顶电池窗口层成欧姆接触的金属纳米颗粒层，以及覆设于所述金属纳米颗粒层上、并与所述金属纳米颗粒层成欧姆接触的石墨烯层。
2.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，还包括设置在所述石墨烯层表面的抗反膜。
3.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，还包括设置于所述石墨烯层表面的顶电极；以及设置于所述衬底底部的底电极，用于与外电路电连接。
4.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述电池组件为多结电池，所述电池组件包括至少两个电池层以及形成于两相邻电池层之间的隧道结。
5.根据权利要求1或2所述太阳能电池结构，其特征在于，所述石墨烯层为单层石墨烯；所述衬底材质为GaAs、InP、Ge或Si任一种；所述抗反膜的材质为SiO2、TiO2、MgF或ZnS。
6.根据权利要求1所述太阳能电池结构，其特征在于，所述金属纳米粒子材料为金、锗、镍、钛、铂、银、铜中的一种或多种。
7.根据权利要求7所述太阳能电池结构，其特征在于，所述金属纳米颗粒层的直径范围为10～150nm，并具有纳米陷光效应。
8.一种根据权利要求1～7任一项所述太阳能电池结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、在衬底上生长电池组件、顶电池层、顶电池窗口层；
B、在顶电池窗口层表面制备金属纳米颗粒层；
C、然后将一石墨烯层覆设于所述金属纳米颗粒层上；
D、在所述石墨烯层上生长顶电极、抗反膜；
E、在所述衬底底部生长底电极。
9.根据权利要求8所述太阳能电池制备方法，其特征在于，所述金属纳米颗粒层是通过化学湿法或旋涂法制备的；所述石墨烯层采用化学气相沉积技术制备；所述石墨烯层采用干法转移或湿法转移至所述金属纳米颗粒层上。
10.根据权利要求8所述太阳能电池制备方法，其特征在于，所述生长方法为金属有机化学气相沉积法或分子束外延法。
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