CN103840017B - 一种石墨烯硅基太阳能电池及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯硅基太阳能电池，包括背电极，背电极上设置单晶硅片，单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置石墨烯薄膜，所述由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面还设有栅线电极。本发明还公开了该石墨烯硅基太阳能电池的制造方法。该石墨烯硅基异质结电池通过栅线电极调节石墨烯硅基肖特基结的势垒大小，降低硅表面的电荷复合效应，提高载流子分离和传输的效率，从而提高电池的光电转换效率，同时解决现有石墨烯硅基太阳能电池光电转换效率随器件尺寸增大而降低的问题。

Description

一种石墨烯硅基太阳能电池及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，特别是涉及一种石墨烯硅基太阳能电池及其制造方法。

背景技术

太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特效应将光能转换为电能的一种器件。按照结构来分可以分为由同质材料构成一个或多个PN结的同质结太阳能电池；由异质材料构成一个或多个PN结的异质结太阳能电池；由金属和半导体接触构成的肖特基结太阳能电池；由电解质中半导体电极构成的光电化学太阳能电池。近年来发展最为成熟的硅基半导体PN结太阳能电池面临高能耗、高成本、高污染等几大问题，相关技术和产业已经出现瓶颈。目前人们全力寻找新材料，设计新结构，开发新工艺，旨在制备出更高效、更环保、低成本的新型光伏器件。

石墨烯是一种典型的半金属，功函数约为4.8ev，当石墨烯与功函数低于该值的半导体结合时，即可形成肖特基结。以铜和镍为基底制备出不同厚度的石墨烯薄膜，可见光透过率为50％～97％(波长550nm)，面电阻在数十至数千Ω/sq量级，具备高透过率和高电导率。

石墨烯薄膜与n型单晶硅结合可构成石墨烯硅基肖特基结，并进一步组装成太阳能电池，得到1.0％～2.0％的转换效率(XinmingLi,HongweiZhu,etal.Adv.Mater.2010,22,2743-2748)；Miao等结合硅表面的氧化层钝化和石墨烯的掺杂制备得到了转换效率高达8.6％的太阳能电池(XiaochangMiao,SefaattinTongay,etal.NanoLett.2012,12,2745-2750)；张晓珍等通过合成石墨烯与硅纳米线阵列，并进行修饰钝化，以及引入电子阻挡层制备太阳能电池，转换效率可达10.56％(XiaozhenZhang,JianshengJie,etal.J.Mater.Chem.A,2013,1,6593-6601)。

与传统p-n或p-i-n结构的硅基太阳能电池相比，石墨烯硅基异质结电池结构简单，有效的降低了太阳能电池的成本。但目前该结构的光电转换效率仍然不高，一方面，该结构存在较低的肖特基势垒高度较低，会导致较大的漏电流和交叉的器件性能；另一方面，未修饰的硅表面存在严重的电荷复合问题，会影响器件性能的提高。进一步提高石墨烯硅基太阳能电池的性能成为目前国际的研究热点。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种石墨烯硅基太阳能电池结构，来解决石墨烯硅基太阳能电池光电转换效率不高的问题。本发明的另一个目的是提供这种石墨烯硅基太阳能电池的制造方法。

本发明的技术方案是这样的：一种石墨烯硅基太阳能电池，包括背电极，背电极上设置单晶硅片，单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置石墨烯薄膜，所述由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面还设有栅线电极，所述石墨烯薄膜与所述单晶硅片和栅线电极紧密结合。

优选的，所述栅线电极S形布置。

优选的，所述栅线电极包括主栅线电极和副栅线电极，所述主栅线电极和副栅线电极交错成网格状布置。

优选的，所述栅线电极包括主栅线电极和副栅线电极，所述主栅线电极将单晶硅片表面分为若干副栅线电极区，所述副栅线电极布置于副栅线电极区内并与主栅线电极连接，副栅线电极与主栅线电极夹角α为30°～80°，相邻的所述副栅线电极区内副栅线电极以划分相邻副栅线电极区的主栅线电极为对称轴对称布置。

优选的，所述栅线电极材料由Au、Ag、Pt、Ni、ZnO、ITO、TiO₂及其纳米材料的一种或几种构成。

一种石墨烯硅基太阳能电池的制造方法，依次包括在单晶硅片前表面制备环状二氧化硅层；在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面制备石墨烯薄膜；在位于二氧化硅层通孔内的石墨烯薄膜表面制备栅线电极；在单晶硅片后表面制备背电极。

本发明的另一种石墨烯硅基太阳能电池的制造方法，依次包括在单晶硅片前表面制备环状二氧化硅层；在二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面制备栅线电极；在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面制备石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜与所述单晶硅片和栅线电极紧密结合；在单晶硅片后表面制备背电极。

优选的，采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤或石墨烯有机悬浮液平铺方式制备石墨烯薄膜。

优选的，采用丝网印刷、光刻或喷墨方式制备栅线电极。

本发明所提供的技术方案的有益效果是该石墨烯硅基太阳能电池其不同于传统PN结太阳能电池通过设置栅线电极增加导电率来提高太阳能的电池转化效率，而是通过栅线电极的调控作用调节石墨烯硅基肖特基结的势垒大小，降低硅表面的电荷复合效应，提高载流子分离和传输的效率，从而提高电池的光电转换效率，同时解决现有石墨烯硅基太阳能电池光电转换效率随器件尺寸增大而降低的问题。并且该石墨烯硅基太阳能电池结构及制备工艺简单，适于批量生产。

附图说明

图1为实施例1石墨烯硅基太阳能电池的结构示意图；

图2为图1的A-A向剖视图；

图3为实施例2石墨烯硅基太阳能电池的结构示意图；

图4为实施例2石墨烯硅基太阳能电池的栅线电极计算示意图；

图5为实施例3石墨烯硅基太阳能电池的结构示意图；

图6为实施例3石墨烯硅基太阳能电池的栅线电极计算示意图；

图7为实施例2、3栅线电极结构运用于不同尺寸太阳能电池时转换效率折线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

实施例1

请参见图1及图2，在n型单晶硅片前表面制备二氧化硅SiO₂层，二氧化硅SiO₂层开有通孔；栅线电极结构如图1所示，纵向设有多条主栅线电极，横向设置副栅线电极，主栅线电极和副栅线电极交错成网格状布置，将此栅线电极结构刻画在网版上，在丝网上涂布感光胶，经过光刻工艺将电极结构刻画在网版上；使用丝网印刷机将Ag浆按照丝网版上的图像印刷在由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片上，经过高温烧结成Ag电极；采用喷涂工艺将石墨烯溶液平铺在二氧化硅层和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片表面，经过干燥后石墨烯薄膜与n型单晶硅片和Ag电极紧密结合；n型单晶硅片后表面制备金属Al背电极；石墨烯薄膜一端引出导线作为电池的正极，背电极一端引出导线作为电池的负极。

实施例2

请结合实施例1并参见图3，在n型单晶硅片前表面制备二氧化硅SiO₂层，二氧化硅SiO₂层开有通孔；采用喷涂工艺将石墨烯溶液平铺在二氧化硅层和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片表面，经过干燥后石墨烯薄膜与n型单晶硅片结合；栅线电极结构如图3所示，为单一栅线电极S形布置，将此栅线电极结构刻画在网版上，在丝网上涂布感光胶，经过光刻工艺将电极结构刻画在网版上；使用丝网印刷机将Ag浆按照丝网版上的图像印刷在处于二氧化硅层通孔部分的石墨烯薄膜上，经过高温烧结成Ag电极；n型单晶硅片后表面制备金属Al背电极；石墨烯薄膜一端引出导线作为电池的正极，背电极一端引出导线作为电池的负极。

再请参见图4，电极设计过程第一步，通过对单元电池最大功率输出进行归一化，得到栅线的电阻功率损失比：

$p_{rf}=\frac{1}{m}{B}^2{\mathrm{\ρ}}_{smf}\frac{J_m}{V_m}\frac{S}{W_f}$

其中m为调节系数，当电极宽度均匀时，值为3，当电极宽度线性变化时，值为4；B为切割单元横向宽度，ρ_smf为栅线电极电阻率，J_m为单元电池最大功率点的电流密度，V_m为单元电池最大功率点的电压，S为栅线电极的线距，W_f为栅线电极的线宽。

第二步，栅线电极的遮光引起的功率损失比：

$p_{sf}=\frac{W_f}{S}$

第三步，将栅线电极的电阻和遮光引起的功率损失比相加，并对W_f求导，得到栅线电极的最佳宽度：

$W_f=B\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_{smf}{J}_m}{{\mathrm{mV}}_m}}$

实施例3

请结合实施例1并参见图5，在n型单晶硅片前表面制备二氧化硅SiO₂层，二氧化硅SiO₂层开有通孔；栅线电极结构如图5所示，在二氧化硅SiO₂通孔区域内，主栅线电极将n型单晶硅片表面分为若干副栅线电极区，副栅线电极布置于副栅线电极区内并与主栅线电极连接，副栅线电极与主栅线电极夹角α为30°～80°，相邻副栅线电极区内副栅线电极以划分相邻副栅线电极区的主栅线电极为对称轴对称布置；将此栅线电极结构刻画在网版上，在丝网上涂布感光胶，经过光刻工艺将电极结构刻画在网版上；使用丝网印刷机将Ag浆按照丝网版上的图像印刷在由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片上，经过高温烧结成Ag电极；采用喷涂工艺将石墨烯溶液平铺在二氧化硅层和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片表面，经过干燥后石墨烯薄膜与n型单晶硅片和Ag电极紧密结合；n型单晶硅片后表面制备金属Al背电极；石墨烯薄膜一端引出导线作为电池的正极，背电极一端引出导线作为电池的负极。

再请参见图6，电极设计过程第一步，通过对单元电池最大功率输出进行归一化，得到副栅线和主栅线的电阻功率损失比：

$p_{rf}=\frac{1}{m}{B}^2{\mathrm{\ρ}}_{smf}\frac{J_m}{V_m}\frac{S}{W_f}$

$p_{rb}=\frac{1}{m}{A}^2{\mathrm{B\ρ}}_{smb}\frac{J_m}{V_m}\frac{1}{W_b}$

其中m为调节系数，当电极宽度均匀时，值为3，当电极宽度线性变化时，值为4；A为切割单元纵向宽度，B为切割单元横向宽度，ρ_smf为副栅线电极电阻率，ρ_smb为主栅线电极电阻率，J_m为单元电池最大功率点的电流密度，V_m为单元电池最大功率点的电压，S为副栅线电极的线距，W_f为副栅线电极的线宽，W_b为主栅线电极的线宽。

第二步，副栅线和主栅线电极的遮光引起的功率损失比：

$p_{sf}=\frac{W_f}{S}$

$p_{sb}=\frac{W_b}{B}$

第三步，将栅线电极的电阻和遮光引起的功率损失比相加，并对W_f，W_b求导，得到副栅线电极和主栅线电极的最佳宽度：

$W_f=B\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_{smf}{J}_m}{{\mathrm{mV}}_m}}$

$W_b=AB\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_{smb}{J}_m}{{\mathrm{mV}}_m}}$

上述实施例为本发明的优选实施例，在实施过程中，n型单晶硅片也可采用p型单晶硅片代替，或者是其他硅基材料也或者由其制备成纳米线阵列代替。二氧化硅SiO₂层通孔大小则根据太阳能电池大小选择开设不同的通孔，从0.01cm²～10000cm²范围均可；可以采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤或石墨烯有机悬浮液平铺方式制备石墨烯薄膜，其制备方式对本发明所要解决的技术问题不存在明显影响；栅线电极由Au、Ag、Pt、Ni、ZnO、ITO、TiO₂及其纳米材料的一种或几种构成，也可采用丝网印刷、光刻或喷墨方式制备。

将上述实施例2、3的栅线电极结构应用于1×1cm²、2×2cm²、5×5cm²、7×7cm²、10×10cm²规格的石墨烯硅基太阳能电池，获得的不同转化效率如图7所示，由图可看出，采用实施例2、3的栅线电极结构可明显提升器件尺寸较大的石墨烯硅基太阳能电池的转化效率。

Claims (8)

1.一种石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：包括背电极，背电极上设置单晶硅片，单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置石墨烯薄膜，所述由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面还设有栅线电极，所述石墨烯薄膜与所述单晶硅片和栅线电极紧密结合。

2.根据权利要求1所述的石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述栅线电极S形布置。

3.根据权利要求1所述的石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述栅线电极包括主栅线电极和副栅线电极，所述主栅线电极和副栅线电极交错成网格状布置。

4.根据权利要求1所述的石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述栅线电极包括主栅线电极和副栅线电极，所述主栅线电极将单晶硅片表面分为若干副栅线电极区，所述副栅线电极布置于副栅线电极区内并与主栅线电极连接，副栅线电极与主栅线电极夹角α为30°～80°，相邻的所述副栅线电极区内副栅线电极以划分相邻副栅线电极区的主栅线电极为对称轴对称布置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述栅线电极材料由Au、Ag、Pt、Ni、ZnO、ITO、TiO₂及其纳米材料的一种或几种构成。

6.一种石墨烯硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：依次包括在单晶硅片前表面制备环状二氧化硅层；在二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面制备栅线电极；在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面制备石墨烯薄膜，使所述石墨烯薄膜与所述单晶硅片和栅线电极紧密结合；在单晶硅片后表面制备背电极。

7.根据权利要求6所述的石墨烯硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤或石墨烯有机悬浮液平铺方式制备石墨烯薄膜。

8.根据权利要求6所述的石墨烯硅基太阳能电池的制造方法，其特征在于：采用丝网印刷、光刻或喷墨方式制备栅线电极。