CN106449790A - 一种石墨烯/砷化镓太阳电池 - Google Patents

一种石墨烯/砷化镓太阳电池 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯/砷化镓太阳电池，依次包括：背面电极；砷化镓外延片；窗口层；石墨烯层；重掺杂砷化镓帽子层；正面电极；所述重掺杂砷化镓帽子层具有镂空区域，所述镂空区域对应正面电极的栅线以外的位置；还包括减反层，所述减反层填充于所述重掺杂砷化镓帽子层的镂空区域，与石墨烯层接触。本发明以石墨烯层作为透明导电层，通过石墨烯转移工艺将单层或多层石墨烯转移至传统单结或多结砷化镓太阳电池的窗口层与重掺杂砷化镓帽子层之间，可以促进光生载流子的横向输运，减少光生载流的复合中心，减小串联电阻并提高填充因子，同时也可以有效地减少正面电极栅线密度和宽度，降低遮光损失，提升短路电流、开路电压。

Description

一种石墨烯/砷化镓太阳电池
技术领域
本发明涉及太阳能技术领域，尤其涉及一种石墨烯/砷化镓太阳电池。
背景技术
近年来，全球环境和能源问题已日益严峻，太阳电池作为一种可再生绿色新能源在人类可持续发展中起到至关重要的作用。太阳电池是利用光生伏特效应将光能转化为电能的装置，主要可分为硅基太阳电池和化合物半导体(如GaAs、CdTe、CuInSe2等)太阳电池两大类，其中以基于GaAs的Ⅲ-Ⅴ族化合物为典型代表的半导体太阳电池因其具有高转换效率、高可靠性、长寿命、小型轻质等特点，在航天空间领域备受青睐。
一方面，自2004年英国曼彻斯特大学物理学教授Geim等发现石墨烯，便掀起了世界各国科学家研究石墨烯的热潮。石墨烯作为新型碳纳米材料具有优异的光学、电学特性，如极高的载流子迁移率、高透光性、高导电率等，因此石墨烯材料可以作为太阳电池的异质结、透明导电窗口层和电极而应用于光伏发电领域。目前，已有大量关于石墨烯/硅异质结太阳电池的研究报道，但测得其最高光电转化效率仍明显低于市场主流的硅基太阳电池效率。
另一方面，对应于砷化镓太阳电池来说，砷化镓属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，与硅不同，它是带隙宽度为1.42eV的直接带隙材料，具有优异的光谱响应特性，有着更高的光电转化效率。在传统的砷化镓太阳电池制备工艺中，虽然重掺杂的砷化镓帽子层能够与正电极形成良好的欧姆接触，但是增加了光生载流子的复合中心，造成较大的串联电阻和复合电流，此外，密集的正面电极栅线会造成较大遮光损失，从而进一步制约了的砷化镓太阳电池光电转化效率的提高。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种石墨烯/砷化镓太阳电池，制备的石墨烯/砷化镓太阳电池具有较高的光电转化效率。
本发明提供了一种石墨烯/砷化镓太阳电池，依次包括：
背面电极；
砷化镓外延片；
窗口层；
石墨烯层；
重掺杂砷化镓帽子层；
正面电极；
所述重掺杂砷化镓帽子层具有镂空区域，所述镂空区域对应正面电极的栅线以外的位置；
还包括减反层，所述减反层填充于所述重掺杂砷化镓帽子层的镂空区域，与石墨烯层接触。
在本发明的某些具体实施例中，所述石墨烯层的石墨烯为1～10层。
在本发明的某些具体实施例中，所述砷化镓外延片的结构为单结或多结联级结构。
在本发明的某些具体实施例中，所述砷化镓外延片的结构为单结砷化镓/砷化镓、单结砷化镓/锗、双结镓铟磷/砷化镓、双结镓铟磷/镓铟磷、双结铝镓铟磷/砷化镓、双结铝镓铟磷/铟镓磷、三结镓铟磷/砷化镓/锗、三结铝镓铟磷/砷化镓/锗、三结镓铟磷/铟镓砷/锗和三结铝镓铟磷/铟镓砷/锗中的任意一种或多种。
在本发明的某些具体实施例中，所述背面电极为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡和铝掺杂氧化锌中的一种或几种的复合电极。
在本发明的某些具体实施例中，所述正面电极为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡和铝掺杂氧化锌中的一种或几种的复合电极。
在本发明的某些具体实施例中，所述减反层为ZnS、Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2和Si3N4中的一种或几种材料复合而成。
与现有技术相比，本发明提供了一种石墨烯/砷化镓太阳电池，依次包括：背面电极；砷化镓外延片；窗口层；石墨烯层；重掺杂砷化镓帽子层；正面电极；所述重掺杂砷化镓帽子层具有镂空区域，所述镂空区域对应正面电极的栅线以外的位置；还包括减反层，所述减反层填充于所述重掺杂砷化镓帽子层的镂空区域，与石墨烯层接触。本发明以石墨烯层作为透明导电层，通过石墨烯转移工艺将单层或多层石墨烯转移至传统单结或多结砷化镓太阳电池的窗口层与重掺杂砷化镓帽子层之间，与传统单结或多结砷化镓太阳电池相比，可以有效地促进光生载流子的横向输运，减少光生载流的复合中心，极大减小串联电阻并提高填充因子，同时也可以有效地减少正面电极栅线密度和宽度，降低遮光损失，提升短路电流、开路电压，有利于在降低工艺成本的基础上制备出高效的石墨烯/砷化镓太阳电池。
附图说明
图1是本发明提供的石墨烯/砷化镓太阳电池的结构示意图；
图2是本发明实施例6提供的石墨烯/砷化镓太阳电池的J-V曲线图。
具体实施方式
本发明提供了一种石墨烯/砷化镓太阳电池，依次包括：背面电极；砷化镓外延片；窗口层；石墨烯层；重掺杂砷化镓帽子层；正面电极；所述重掺杂砷化镓帽子层具有镂空区域，所述镂空区域对应正面电极的栅线以外的位置；还包括减反层，所述减反层填充于所述重掺杂砷化镓帽子层的镂空区域，与石墨烯层接触。
本发明以石墨烯层作为透明导电层，通过石墨烯转移工艺将单层或多层石墨烯转移至传统单结或多结砷化镓太阳电池的窗口层与重掺杂砷化镓帽子层之间，与传统单结或多结砷化镓太阳电池相比，可以有效地促进光生载流子的横向输运，减少光生载流的复合中心，极大减小串联电阻并提高填充因子，同时也可以有效地减少正面电极栅线密度和宽度，降低遮光损失，提升短路电流、开路电压，有利于在降低工艺成本的基础上制备出高效的石墨烯/砷化镓太阳电池。
本发明提供的石墨烯/砷化镓太阳电池包括背面电极。
本发明对所述背面电极并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的背面电极。优选的，其为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡(ITO)和铝掺杂氧化锌(AZO)中的一种或几种的复合电极。
还包括砷化镓外延片。所述砷化镓外延片设置于背面电极的任一表面上。
本发明对所述砷化镓外延片的结构并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的电池外延片，优选的，其为单结结构或多结联级结构，更优选的，其为单结砷化镓/砷化镓、单结砷化镓/锗、双结镓铟磷/砷化镓、双结镓铟磷/镓铟磷、双结铝镓铟磷/砷化镓、双结铝镓铟磷/铟镓磷、三结镓铟磷/砷化镓/锗、三结铝镓铟磷/砷化镓/锗、三结镓铟磷/铟镓砷/锗和三结铝镓铟磷/铟镓砷/锗中的任意一种或多种。
还包括窗口层，所述窗口层设置于所述砷化镓外延片的远离所述背面电极的表面上。
本发明对所述窗口层的材质并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池窗口层的材料，本发明优选为铝铟磷体系复合材料。
还包括石墨烯层，所述石墨烯层设置于所述窗口层的远离所述砷化镓外延片的表面上。
上述石墨烯层为太阳电池的透明导电层，优选的，其为1～10层。
还包括重掺杂砷化镓帽子层，所述重掺杂砷化镓帽子层设置于所述石墨烯层的远离所述窗口层的表面上。
本发明对所述重掺杂砷化镓帽子层的材质并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的重掺杂砷化镓帽子层的材质，优选为掺杂浓度大于5*1018cm-1以上的砷化镓薄层。
所述重掺杂砷化镓帽子层具有镂空区域，通过化学腐蚀法形成；所述镂空区域对应正面电极的栅线以外的位置，即栅线间没有被栅线遮挡的区域，使相应区域的石墨烯层暴露在外。
还包括正面电极，所述正面电极设置于所述重掺杂砷化镓帽子层的远离所述石墨烯层的表面上。
本发明对所述正面电极并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于太阳电池的正面电极。优选的，其为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡(ITO)和铝掺杂氧化锌(AZO)中的一种或几种的复合电极。
还包括减反层，所述减反层填充于所述重掺杂砷化镓帽子层的镂空区域，与石墨烯层接触。
所述减反层优选为ZnS、Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2和Si3N4中的一种或几种材料复合而成。
即将所述背面电极作为最底层，所述石墨烯/砷化镓太阳电池由下而上依次包括：
背面电极；
砷化镓外延片；
窗口层；
石墨烯层；
重掺杂砷化镓帽子层；
正面电极；
以及填充于所述重掺杂砷化镓帽子层镂空区域的减反层。
图1是本发明提供的石墨烯/砷化镓太阳电池的结构示意图，其中，1为背面电极，2为砷化镓外延片，3为窗口层，4为石墨烯层，5为重掺杂砷化镓帽子层，6为正面电极，7为减反层。
本发明对所述太阳电池的制备方法并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的太阳电池的制备方法，优选包括以下步骤：
1)将石墨烯转移至砷化镓外延片表面的窗口层表面，形成石墨烯层；
2)在石墨烯层表面制备重掺杂砷化镓帽子层；
3)在砷化镓外延片衬底表面制备背面电极，以及在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正面电极；
4)采用化学腐蚀法腐蚀正面电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层，并在所述露出的石墨烯层表面制备减反层。
本发明优选的，步骤1)之前还包括清洗的步骤，具体的，将砷化镓外延片放入化学清洗液中水浴加热进行表面清洗，取出后吹干。
所述化学清洗液优选为丙酮(CH3COCH3)、异丙醇((CH3)2CHOH)、无水乙醇(CH3CH2OH)、盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、氨水(NH3·H2O)、双氧水(H2O2)、去离子水中的一种或几种溶液；水浴加热条件优选为：1～100℃、1～30min。
所述步骤1)中，石墨烯层的转移方法可以是湿法转移法、干法转移法、电化学转移法中的一种方法或几种组合方法。
所述步骤4)中，化学腐蚀法的腐蚀液体系可以是氨水(NH3·H2O)、双氧水(H2O2)、柠檬酸(C6H8O7)、柠檬酸钾(K3C6H5O7)、磷酸(H3PO4)中的一种溶液或几种溶液，腐蚀条件优选为：1～100℃、1～120s。
本发明对所述制备重掺杂砷化镓帽子层的方法，制备背面电极和正面电极的方法并无特殊限定，可以为本领域技术人员熟知的方法。
相比较于传统的单结或多结砷化镓太阳电池，本发明提供的石墨烯/砷化镓太阳电池利用石墨烯材料作为透明导电层，可以有效地促进光生载流子的横向输运，并减少光生载流子的复合中心、串联电阻、遮光损失，有利于获得更高的开路电压、短路电流以及光电转化效率；且制备工艺简单，成本较低，有利于产业化应用。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的石墨烯/砷化镓太阳电池进行详细描述。
实施例1
1)将结构为砷化镓/砷化镓的单结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中60℃水浴加热15min，再用去离子水冲洗10min，然后置于HCl:H2O＝1:10的溶液中室温浸泡1min，最后用去离子水洗净并用氮气吹干；
2)采用电化学法将单层石墨烯转移至该外延片表面的窗口层上；
3)采用MOCVD法在石墨烯层上沉积重掺杂的砷化镓帽子层；
4)利用光刻技术在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正电极图形，并采用电子束蒸发法制备镍、锗、金的合金背电极和正电极，除去光刻胶并合金化，再将该外延片置于NH3·H2O:H2O2:H2O＝1:1:20的溶液中腐蚀30s，除去正电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层表面；
5)利用PECVD在正电极栅线间的石墨烯表面制备SiO2/Si3N4双层减反膜，得到石墨烯/砷化镓太阳电池。
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，光电转换效率为20.3％。
比较例1
1)将结构为砷化镓/砷化镓的单结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中60℃水浴加热15min，再用去离子水冲洗10min，然后置于HCl:H2O＝1:10的溶液中室温浸泡1min，最后用去离子水洗净并用氮气吹干；
2)采用MOCVD法在电池外延片表面的窗口层表面沉积重掺杂的砷化镓帽子层；在砷化镓帽子层表面制备减反层；
3)采用电子束蒸发法制备镍、锗、金的合金背电极和正电极；
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，光电转换效率为18.2％。
实施例2
1)将结构为砷化镓/锗的单结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中50℃水浴加热20min，再用去离子水冲洗10min，然后置于H2SO4:H2O2:H2O＝1:8:500的溶液中室温浸泡3min，最后用去离子水洗净并用氮气吹干；
2)采用电化学法将3层石墨烯转移至该外延片表面的窗口层上；
3)采用MOCVD法在石墨烯层上沉积重掺杂的砷化镓帽子层；
4)利用光刻技术在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正电极图形，并采用电子束蒸发法制备镍、锗、银、金的合金背电极和正电极，除去光刻胶并合金化，再将该外延片置于C6H8O7:H2O2:H2O＝5:1:30的溶液中腐蚀20s，除去正电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层表面；
5)利用PECVD在正电极栅线间的石墨烯表面制备SiO2/TiO2双层减反膜，得到石墨烯/砷化镓太阳电池。
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，以不具有石墨烯层，其余结构均相同的砷化镓太阳电池做对比，记为比较例2，光电转换效率由18.3％(比较例2)提升到21.1％左右。
实施例3
1)将结构为镓铟磷/砷化镓的双结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中60℃水浴加热20min，再用去离子水冲洗10min，然后置于HCl:NH3·H2O:H2O＝3:1:20的溶液中室温浸泡5min，最后用去离子水冲洗干净并用氮气吹干；
2)采用电化学法将5层石墨烯转移至该外延片的窗口层上；
3)采用MOCVD法在石墨烯层上沉积重掺杂的砷化镓帽子层；
4)利用光刻技术在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正电极图形，并采用电子束蒸发法制备镍、锗、铬、铜、金的合金背电极和正电极，除去光刻胶并合金化，再将该外延片置于K3C6H5O7:C6H8O7:H2O2:H2O＝1:1:3:20的溶液中腐蚀40s，除去正电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层表面；
5)利用PECVD在正电极栅线间的石墨烯表面制备ZnS/Al2O3/MgF2三层减反膜，得到石墨烯/砷化镓太阳电池。
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，以不具有石墨烯层，其余结构均相同的砷化镓太阳电池做对比，记为比较例3，光电转换效率由24.1％(比较例3)提升到25.7％左右。
实施例4：
1)将结构为铝镓铟磷/砷化镓的双结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中50℃水浴加热20min，再用去离子水冲洗10min，然后置于HCl:H2O＝3:10的溶液中室温浸泡1min，最后用去离子水洗净并用氮气吹干；
2)采用电化学法将单层石墨烯转移至该外延片的窗口层上；
3)采用MOCVD法在石墨烯层上沉积重掺杂的砷化镓帽子层；
4)利用光刻技术在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正电极图形，并采用电子束蒸发法制备镍、锗、铝、钯、金的合金背电极和正电极，除去光刻胶并合金化，再将该外延片置于NH3·H2O:H2O2:H3PO4＝1:2:8的溶液中腐蚀20s，除去正电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层表面；
5)利用PECVD在正电极栅线间的石墨烯表面制备Si3N4单层减反膜，得到石墨烯/砷化镓太阳电池。
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，以不具有石墨烯层，其余结构均相同的砷化镓太阳电池做对比，记为比较例4，光电转换效率由24.5％(比较例4)提升到25.1％左右。
实施例5：
1)将结构为镓铟磷/砷化镓/锗的三结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中70℃水浴加热10min，再用去离子水冲洗10min，然后置于HCl:H2O＝1:10的溶液中室温浸泡2min，最后用去离子水洗净并用氮气吹干；
2)采用电化学法将2层石墨烯转移至该外延片的窗口层上；
3)采用MOCVD法在石墨烯层上沉积重掺杂的砷化镓帽子层；
4)利用光刻技术在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正电极图形，并采用电子束蒸发法制备镍、锗、铝、钛、银、金的合金背电极和正电极，除去光刻胶并合金化，再将该外延片置于C6H8O7:H2O2:H2O＝5:1:30的溶液中腐蚀30s，除去正电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层表面；
5)利用PECVD在正电极栅线间的石墨烯表面制备ZnS/MgF2/ZnS/MgF2四层减反膜，得到石墨烯/砷化镓太阳电池。
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，以不具有石墨烯层，其余结构均相同的砷化镓太阳电池做对比，记为比较例5，光电转换效率由26.4％(比较例5)提升到28.2％左右。
实施例6：
1)将结构为铝镓铟磷/砷化镓/锗三结砷化镓电池外延片分别置于丙酮、异丙醇、无水乙醇中70℃水浴加热10min，再用去离子水冲洗10min，然后置于HCl:NH3·H2O:H2O＝3:1:20的溶液中室温浸泡3min，最后用去离子水洗净并用氮气吹干；
2)采用电化学法将4层石墨烯转移至该外延片的窗口层上；
3)采用MOCVD法在石墨烯层上沉积重掺杂的砷化镓帽子层；
4)利用光刻技术在重掺杂砷化镓帽子层表面制备正电极图形，并采用电子束蒸发法制备镍、锗、银、铜、金的合金背电极和正电极，除去光刻胶并合金化，再将该外延片置于H3PO4:H2O2:H2O＝3:1:10的溶液中腐蚀40s，除去正电极栅线间的重掺杂砷化镓帽子层，露出石墨烯层表面；
5)利用PECVD在正电极栅线间的石墨烯表面制备SiO2/TiO2/Si3N4三层减反膜，得到石墨烯/砷化镓太阳电池。
在AM1.5G下对制备的太阳电池性能进行测试，以不具有石墨烯层，其余结构均相同的砷化镓太阳电池做对比，记为比较例6，光电转换效率由26.6％(比较例6)提升到29.0％左右。
图2是本实施例提供的石墨烯/砷化镓太阳电池的J-V曲线图。
由上述实施例可知，本发明以石墨烯作为太阳电池的导电层，提高了太阳电池的光电转换效率。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，依次包括：
背面电极；
砷化镓外延片；
窗口层；
石墨烯层；
重掺杂砷化镓帽子层；
正面电极；
所述重掺杂砷化镓帽子层具有镂空区域，所述镂空区域对应正面电极的栅线以外的位置；
还包括减反层，所述减反层填充于所述重掺杂砷化镓帽子层的镂空区域，与石墨烯层接触。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，所述石墨烯层的石墨烯为1～10层。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，所述砷化镓外延片的结构为单结或多结联级结构。
4.根据权利要求3所述的石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，所述砷化镓外延片的结构为单结砷化镓/砷化镓、单结砷化镓/锗、双结镓铟磷/砷化镓、双结镓铟磷/镓铟磷、双结铝镓铟磷/砷化镓、双结铝镓铟磷/铟镓磷、三结镓铟磷/砷化镓/锗、三结铝镓铟磷/砷化镓/锗、三结镓铟磷/铟镓砷/锗和三结铝镓铟磷/铟镓砷/锗中的任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，所述背面电极为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡和铝掺杂氧化锌中的一种或几种的复合电极。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，所述正面电极为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡和铝掺杂氧化锌中的一种或几种的复合电极。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/砷化镓太阳电池，其特征在于，所述减反层为ZnS、Al2O3、MgF2、TiO2、SiO2和Si3N4中的一种或几种材料复合而成。
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