CN104201221A - 基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
一种基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，包括：一衬底，该衬底包括一Si层和制作在其上的SiO2层，该SiO2层的中间有一窗口，该窗口的深度到达Si层的表面；一石墨烯层，其制作在窗口内，以及窗口两侧部分的SiO2层上；一金属纳米颗粒阵列，其制作在窗口内的石墨烯层上；一正金属电极，其制作在窗口两侧的SiO2层上，并覆盖部分石墨烯层；一负金属电极，其制作在衬底表面的Si层的下面。本发明具有结构简单及制作工艺简化的优点，同时本发明的可以改善石墨烯的导电性，从而提高石墨烯-硅肖特基结太阳能电池的性能。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料及太阳能光伏技术领域，尤其是一种基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池。
背景技术
石墨烯是近年来发展起来的一种新型碳材料，具有诸多优良的性质，例如极高的载流子迁移率、良好的导电性质、较高的光透过率，以及较好的机械和化学稳定性等，在诸多方面具有广泛的应用前景。近年来，石墨烯-硅肖特基结太阳能电池由于其避免了扩散和离子注入等复杂工艺，有效地利用了石墨烯极高的载流子迁移率、较好的导电性和较好的光透过率等优点，成为国内外科技工作者研究的焦点。然而，由于石墨烯的功函数相对较低，以及电阻率相对于传统的ITO透明导电薄膜仍较高等缺陷，使得基于石墨烯的太阳电池的效率相对于传统的晶体硅p-n结太阳电池仍有较大差距，限制了这种新型太阳电池的应用。通过石墨烯掺杂剂，如硝酸、双(三氟甲烷)磺酰亚胺、二氯氧硫、氯化金等，可以在一定程度上改善石墨烯-硅电池的性能，然而现有的石墨烯掺杂剂具有易挥发、不稳定、有毒或者难以获得等缺点，难以满足实际应用的需要。
为了克服以上本征石墨烯的不足，我们利用金属纳米颗粒修饰石墨烯，并将得到的石墨烯-金属纳米颗粒复合材料应用到硅肖特基结太阳能电池中以提高电池效率。通过石墨烯与金属纳米颗粒界面的电荷转移效应可以有效地调控石墨烯的功函数并提高石墨烯的导电性，从而可以显著改善石墨烯-硅肖特基结电池的性能。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供一种基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，具有结构简单及制作工艺简化的优点，同时本发明的可以改善石墨烯的导电性，从而提高石墨烯-硅肖特基结太阳能电池的性能。
为达到上述目的，本发明提供一种基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，包括：
一衬底，该衬底包括一Si层和制作在其上的SiO2层，该SiO2层的中间有一窗口，该窗口的深度到达Si层的表面；
一石墨烯层，其制作在窗口内，以及窗口两侧部分的SiO2层上；
一金属纳米颗粒阵列，其制作在窗口内的石墨烯层上；
一正金属电极，其制作在窗口两侧的SiO2层上，并覆盖部分石墨烯层；
一负金属电极，其制作在衬底表面的Si层的下面。
本发明的有益效果是，其是采用石墨烯-金属纳米颗粒复合材料用于制备肖特基结电池。选择具有较大功函数的金属，如金、铂等，通过金属纳米颗粒与石墨烯界面的电荷转移作用，提高石墨烯的功函数并降低石墨烯薄膜的电阻率，从而得到具有较大开路电压、短路电流、填充因子以及能量转换效率的石墨烯-硅肖特基结太阳能电池。
附图说明
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明如后，其中：
图1为本发明所描述的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的硅肖特基结太阳能电池的典型结构示意图。
图2为根据本发明实例制备的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的硅肖特基结太阳能电池及参考电池在一个标准太阳光AM(1.5G)下的光电流密度-光电压曲线。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，其结构包括包括：
一衬底10，该衬底10包括一Si层11和制作在其上的SiO2层12，该衬底10中Si层11的电阻率为1-10Ω·cm；其SiO2层12为热氧化方法制作的SiO2层。通过光刻和氢氟酸腐蚀，在该SiO2层12的中间制作一窗口13，该窗口13的深度到达Si层11的表面。
一石墨烯层14，其覆盖在窗口13内，以及窗口13两侧部分的SiO2层12上，该石墨烯层14由化学气相沉积方法在铜箔衬底表面生长，厚度为3-4层，通过湿法腐蚀的方法将其转移至衬底10之上；
一金属纳米颗粒阵列15，其是利用先沉积金属薄膜后退火的方法将其制作在窗口13内的石墨烯层14上。该金属纳米颗粒阵列15的材料为金或铂，其中制作金属纳米颗粒阵列15的金属薄膜的厚度为1-20nm；
一正金属电极16，其制作在窗口13两侧的SiO2层12上，并覆盖部分石墨烯层14，所述正金属电极16的材料为Au、Pt、Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au：
一负金属电极17，其制作在衬底10表面的Si层11的下面，所述负金属电极16的材料为Ti/PdAg。
请参阅图2所示，图2中实线为我们在AM1.5标准太阳下的I-V特性曲线，虚线为不含有金纳米颗粒的参考电池在相同条件下的I-V特性曲线。我们采用上述结构制备的太阳电池的开路电压为0.45V，短路电流密度为25.6mA/cm2，填充因子为0.53，能量转换效率为6.1％。参考电池的开路电压为0.4V，短路电流密度为20.1mA/cm2，填充因子为0.25，能量转换效率为2.0％。由此可见，相对于参考电池，采用上述结构制备的太阳电池具有明显优化的电池性能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，包括：
一衬底，该衬底包括一Si层和制作在其上的SiO2层，该SiO2层的中间有一窗口，该窗口的深度到达Si层的表面；
一石墨烯层，其制作在窗口内，以及窗口两侧部分的SiO2层上；
一金属纳米颗粒阵列，其制作在窗口内的石墨烯层上；
一正金属电极，其制作在窗口两侧的SiO2层上，并覆盖部分石墨烯层；
一负金属电极，其制作在衬底表面的Si层的下面。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，其中该金属纳米颗粒阵列的材料为金或铂。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，其中制作金属纳米颗粒阵列的金属薄膜的厚度为1-20nm。
4.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，其中该衬底中Si层的电阻率为1-10Ω·cm，SiO2层为热氧化方法制作的SiO2层。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，其中该石墨烯层的厚度为3-4层。
6.根据权利要求1所述的基于石墨烯-金属纳米颗粒复合材料的太阳能电池，其中所述正金属电极的材料为Au、Pt、Ti/Au、Ni/Au或Cr/Au。
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