CN108565343B - 高性能量子点中间带石墨烯肖特基结太阳电池及制备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池的技术领域，公开了高性能量子点中间带石墨烯肖特基结太阳电池及制备。所述石墨烯肖特基结太阳电池从下到上依次包括底电极、GaAs衬底、表面重构的GaAs层、GaAs缓冲层、量子点中间带、石墨烯层、顶电极；所述量子点中间带由GaAs盖层和InAs量子点层交替叠加而成，GaAs缓冲层上为InAs量子点层，GaAs盖层和InAs量子点层的层数相同。本发明在石墨烯肖特基结太阳电池中引入量子点中间带，有效拓宽了电池对太阳光谱的吸收范围，显著增大了光生电流，实现了太阳能电池高的光电转换效率。

Description

高性能量子点中间带石墨烯肖特基结太阳电池及制备
技术领域
本发明属于太阳电池的技术领域，具体涉及一种高光电转换效率的量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池及其制备方法。
背景技术
太阳电池作为一种直接利用太阳光进行能量转换的器件，可以将太阳能转换为电能，太阳电池是一种清洁能源，是我们主要利用太阳能的方式。然而，要想提高太阳电池对太阳能的光电转换效率，必须实现太阳电池对太阳光谱的高效吸收。石墨烯肖特基结太阳电池因为较高的光电转换效率，较低的工艺成本成为近年来发展很快的新型肖特基结光伏器件，人们通常采用GaAs与石墨烯形成肖特基接触，利用肖特基势垒实现对非平衡载流子的分离，从而实现较高的光电转换效率。然而，GaAs虽然具有直接带隙，但其只能吸收能量高于带隙(880nm)的光子，能量小于带隙的光子无法被电池有效吸收，这就极大限制了GaAs基肖特基结太阳电池的光电转换效率。为了进一步提高石墨烯肖特基结太阳电池的效率，我们采用量子点中间带技术在GaAs带隙中引入中间带，利用中间带技术拓宽对太阳光谱的吸收，从而提高石墨烯肖特基结太阳电池的光电转换效率。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池。本发明采用的量子点中间带，可以大幅提高石墨烯肖特基结太阳电池的光电转换效率。
本发明的另一目的在于提供上述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极、GaAs衬底、表面重构的GaAs层、GaAs缓冲层、量子点中间带、石墨烯层、顶电极；所述量子点中间带由GaAs盖层和InAs量子点层交替叠加而成，GaAs缓冲层上设置的是InAs量子点层，GaAs盖层和InAs量子点层的层数相同。
所述量子点中间带中InAs量子点层的厚度为1.6～3.6ML，GaAs盖层的厚度为20～100nm，量子点中间带中InAs量子点层的层数为2～10层。
表面重构的GaAs层的厚度为200～1000nm；所述GaAs缓冲层的厚度为150～500nm；石墨烯的层数为1～10层；
底电极的厚度为80～300nm；顶电极的厚度为50～200nm。
底电极和顶电极分别为常规的电极材料，优选为金属电极；所述金属为Au，Ag或Al。
所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)生长底电极：在GaAs衬底的一面镀上一层金属电极，作为底电极，底电极的厚度为80-300nm；所述GaAs衬底为n型GaAs晶片；
(2)GaAs表面氧化层的去除：将镀有底电极的GaAs衬底进行高温退火处理，去除衬底表面的氧化层；所述高温退火的温度为500～700℃，退火的时间为0.2～1h；
(3)GaAs表面重构：将GaAs衬底中镀有底电极的一面称为下表面，另一面成为上表面；利用分子束外延方法，在GaAs衬底上表面生长GaAs，获得表面重构GaAs层；生长温度为400～600℃，Ga源炉温度为850～1100℃，As源温度为240～380℃，表面重构的GaAs的厚度为200～1000nm；
(4)GaAs缓冲层：利用分子束外延方法，在表面重构GaAs层上沉积GaAs缓冲层，生长温度为450～660℃，Ga源炉温度为870～1050℃，As源炉温度为200～380℃；所述GaAs缓冲层的厚度为150～500nm；
(5)采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长量子点中间带：先采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长InAs量子点，然后在量子点层上沉积GaAs盖层，再在GaAs盖层上沉积量子点层，量子点层上再沉积GaAs盖层，如此重复，从而量子点层与GaAs盖层交替叠加形成量子点中间带；InAs量子点生长的条件为衬底温度为450～550℃条件下，In源炉温度为600～800℃，As源炉温度为240～380℃；沉积厚度为1.6～3.6ML的InAs量子点层；GaAs盖层生长的条件为生长温度为480～540℃，Ga源炉温度为870～1050℃，As源炉温度为200～380℃，GaAs盖层厚度为20～100nm；量子点中间带中InAs量子点层的层数为2～10层；
(6)转移石墨烯：将石墨烯转移至量子点中间带上，获得石墨烯层；石墨烯层的层数为1-10层；石墨烯层位于量子点中间带的GaAs盖层上；
(7)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法，在石墨烯层上蒸镀顶电极，蒸镀温度为50～200℃，蒸镀时间为15～40分钟，顶电极的厚度为50～200nm。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过对InAs量子点的沉积层数及每一层的沉积量的优化，得到了密度大且均匀性好的量子点，同时通过量子点的层内和层间的相互耦合，有效拓宽了GaAs-石墨烯肖特基结太阳电池对太阳光谱的吸收范围，实现了宽光谱高效吸收，最终通过量子点中间带技术制备出高光电转换效率的太阳电池；
(2)本发明的制备方法简单有效，电池光电转换效率增强效果明显。
附图说明
图1为本发明的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的结构示意图；
图2为实施例1的多层InAs量子点的透射电子显微镜照片；
图3为实施例1的石墨烯肖特基结太阳电池在引入量子点中间带前后的电流-电压关系曲线图；参比电池为引入量子点中间带前的太阳电池即无量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，量子点中间带石墨烯肖特基结太阳电池为实施例1制备的含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的结构示意图如图1所示(量子点中间带中量子点以5层为例)，由下至上依次包括底电极(Au)1，GaAs衬底2，表面重构的GaAs层3，GaAs缓冲层4，InAs量子点5，GaAs盖层6，第二层InAs量子点7，第二层GaAs盖层8，第三层InAs量子点9，第三层GaAs盖层10，第四层InAs量子点11，第四层GaAs盖层12，第五层InAs量子点13，第五层GaAs盖层14，石墨烯层15，顶电极16。
量子点中间带依次包括InAs量子点5，GaAs盖层6，第二层InAs量子点7，第二层GaAs盖层8，第三层InAs量子点9，第三层GaAs盖层10，第四层InAs量子点11，第四层GaAs盖层12，第五层InAs量子点13，第五层GaAs盖层14。
总之，包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极、GaAs衬底、表面重构的GaAs层、GaAs缓冲层、量子点中间带、石墨烯层、顶电极；所述量子点中间带由GaAs盖层和InAs量子点层交替叠加而成，GaAs缓冲层上为InAs量子点层，GaAs盖层和InAs量子点层的层数相同。
所述量子点中间带中InAs量子点层的量子点的平均直径在10-50nm，数密度在1×1010～9×1010cm-2，GaAs盖层的厚度为20～100nm，量子点中间带中InAs量子点层的层数为2～10层；量子点层的厚度为1.6～3.6ML。
表面重构的GaAs的厚度为200～1000nm；所述GaAs缓冲层的厚度为150～500nm；石墨烯的层数为1-10层；
底电极的厚度为80～300nm；顶电极的厚度为50～200nm。
底电极和顶电极分别为金属电极；所述金属为Au，Ag或Al。
实施例1
本实施例的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极Au，GaAs衬底，表面重构的GaAs层，GaAs缓冲层，InAs量子点，GaAs盖层，第二层InAs量子点，第二层GaAs盖层，第三层InAs量子点，第三层GaAs盖层，第四层InAs量子点，第四层GaAs盖层，第五层InAs量子点，第五层GaAs盖层，石墨烯薄膜，顶电极。
本实施例的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)生长底电极：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护，一是固定n型晶片衬底在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘，然后放进电子束蒸发系统，镀上一层金电极，Au电极的厚度为100纳米；
(2)GaAs表面氧化层的去除：将镀有金电极的GaAs衬底利用分子束外延系统在650℃的高温下退火，退火时间为40分钟；
(3)GaAs表面重构：将GaAs衬底中镀有底电极的一面称为下表面，另一面成为上表面；利用分子束外延方法，在GaAs衬底上表面生长GaAs，获得表面重构GaAs层；生长温度为500℃，Ga源炉温度为890℃，As源温度为295℃，表面重构的GaAs的厚度500nm；
(4)GaAs缓冲层：利用分子束外延方法，在表面重构GaAs层上沉积GaAs缓冲层，生长温度为450℃，Ga源炉温度为895℃，As源炉温度为295℃；所述GaAs缓冲层的厚度为200nm；
(5)采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长量子点中间带：先采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长InAs量子点，然后在量子点层上沉积GaAs盖层，再在GaAs盖层上沉积量子点层，量子点层上再沉积GaAs盖层，如此重复，从而量子点层与GaAs盖层交替叠加形成量子点中间带；InAs量子点生长的条件为衬底温度为500℃条件下，In源炉温度为800℃，As源炉温度为290℃；沉积厚度为2.0ML的InAs量子点层；GaAs盖层生长的条件为生长温度为520℃，Ga源炉温度为870℃，As源炉温度为380℃，GaAs盖层厚度为35nm；量子点中间带中InAs量子点层的层数为5层，量子点的直径为20nm；
(6)转移石墨烯：将石墨烯漂浮在清水中，利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在n型GaAs片的量子点中间带的GaAs盖层上，自然晾干半小时，要注意石墨烯的正反面，不能贴反，所转移的石墨烯的层数为5层；
(7)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在石墨烯层上蒸镀顶电极，蒸镀温度为50℃，蒸镀时间为30分钟，顶电极可以为Au，Ag或Al，优选为Au，顶电极厚度为150纳米。
图2为本实施例的量子点中间带(多层InAs量子点)的透射电子显微镜照片，从图中可以看出InAs量子点尺寸分布均匀，面内和面外密度都较大，可以实现高密度量子点的面内和面外的高效耦合，产生量子点中间带，从而拓宽对太阳光谱的吸收范围。石墨烯肖特基结太阳电池在引入量子点中间带前后的电流-电压关系如图3所示，从图中可见，参比电池(无量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池)的短路电流密度为17.94毫安每平方厘米，通过引入量子点中间带(多层InAs量子点)的层内和层间相互耦合，有效拓宽了对太阳光谱的吸收范围，引入多层量子点耦合后的太阳电池短路电流密度提高至24.31毫安每平方厘米，光电转换效率从9.1％提高至12.2％。
本发明在石墨烯肖特基结太阳电池中引入多层InAs量子点，利用量子点层内和层间的相互耦合作用在GaAs禁带中产生中间带，从而利用量子点中间带技术拓宽对太阳光谱的吸收范围，实现对太阳光谱的高效吸收，从而提高石墨烯肖特基结太阳电池的光电转换效率。
实施例2
本实施例的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极Au，GaAs衬底，表面重构的GaAs层，GaAs缓冲层，InAs量子点，GaAs盖层，第二层InAs量子点，第二层GaAs盖层，第三层InAs量子点，第三层GaAs盖层，石墨烯薄膜，顶电极。
本实施例的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)生长底电极：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护，一是固定n型晶片衬底在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘，然后放进电子束蒸发系统，镀上一层金电极，Au电极的厚度为150纳米；
(2)GaAs表面氧化层的去除：将镀有金电极的GaAs衬底利用分子束外延系统在650℃的高温下退火，退火时间为30分钟；
(3)GaAs表面重构：将GaAs衬底中镀有底电极的一面称为下表面，另一面成为上表面；利用分子束外延方法，在GaAs衬底上表面生长GaAs，获得表面重构GaAs层；生长温度为500℃，Ga源炉温度为890℃，As源温度为295℃，表面重构的GaAs的厚度500nm；
(4)GaAs缓冲层：利用分子束外延方法，在表面重构GaAs层上沉积GaAs缓冲层，生长温度为450℃，Ga源炉温度为895℃，As源炉温度为295℃；所述GaAs缓冲层的厚度为150nm；
(5)生长InAs量子点：先采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长InAs量子点，衬底温度为500℃条件下，In源炉温度为790℃，As源炉温度为280℃；InAs量子点层沉积厚度为3.0ML；
(6)三层量子点的生长：InAs量子点上沉积GaAs盖层，盖层的生长温度为520℃，Ga源炉温度为870℃，As源炉温度为380℃，盖层厚度为35nm；在盖层上继续生长InAs量子点，衬底温度为450℃，In源炉温度为790℃，As源炉温度为280℃，InAs量子点沉积厚度为3.0ML；InAs量子点上再次沉积GaAs盖层，如此重复2次，得到量子点中间带，量子点中间带由量子点/GaAs盖层/量子点/GaAs盖层/量子点/GaAs盖层组成，量子点的层数为3层，其中量子点的直径为25nm，盖层的厚度为40nm；
(7)转移石墨烯：取出已经生长完3层InAs量子点的GaAs衬底，将石墨烯漂浮在清水中，利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在n型GaAs片的GaAs盖层上，自然晾干半小时，石墨烯平铺在GaAs表面，石墨烯的正面贴合，所转移的石墨烯的层数为3层；
(8)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在石墨烯层上蒸镀顶电极，蒸镀温度为80℃，蒸镀时间为40分钟，顶电极可以为Au，Ag或Al，优选为Au，顶电极厚度为170纳米。
实施例3
本实施例的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，从下到上依次包括底电极Au，GaAs衬底，表面重构的GaAs层，GaAs缓冲层，InAs量子点，GaAs盖层，第二层InAs量子点，第二层GaAs盖层，石墨烯薄膜，顶电极。
本实施例的包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)生长底电极：将2英寸n型GaAs晶片衬底固定在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护(一是固定n型晶片衬底在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘)，然后放进电子束蒸发系统，镀上一层金电极，Au电极的厚度为100纳米；
(2)GaAs表面氧化层的去除：将镀有金电极的GaAs衬底利用分子束外延系统在650℃的高温下退火，退火时间为35分钟；
(3)GaAs表面重构：将GaAs衬底中镀有底电极的一面称为下表面，另一面成为上表面；利用分子束外延方法，在GaAs衬底上表面生长GaAs，获得表面重构GaAs层；生长温度为500℃，Ga源炉温度为890℃，As源温度为290℃，表面重构的GaAs的厚度800nm；
(4)GaAs缓冲层：利用分子束外延方法，在表面重构GaAs层上沉积GaAs缓冲层，生长温度为450℃，Ga源炉温度为895℃，As源炉温度为295℃；所述GaAs缓冲层的厚度为150nm；
(5)采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长量子点中间带：先采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长InAs量子点，然后在量子点层上沉积GaAs盖层，再在GaAs盖层上沉积量子点层，量子点层上再沉积GaAs盖层，如此重复，从而量子点层与GaAs盖层交替叠加形成量子点中间带；InAs量子点生长的条件为衬底温度为500℃条件下，In源炉温度为790℃，As源炉温度为280℃；沉积厚度为3.0ML的InAs量子点层；GaAs盖层生长的条件为生长温度为520℃，Ga源炉温度为870℃，As源炉温度为380℃，GaAs盖层厚度为40nm；量子点中间带中InAs量子点层的层数为2层，量子点的直径为20nm；
(6)转移石墨烯：将石墨烯漂浮在清水中，利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在n型GaAs片的量子点中间带的GaAs盖层上，自然晾干半小时，要注意石墨烯的正反面，不能贴反，所转移的石墨烯的层数为2层；
(7)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法在石墨烯层上蒸镀顶电极，蒸镀温度为80℃，蒸镀时间为50分钟，顶电极可以为Au，Ag或者为Al，优选为Au，顶电极厚度为200纳米。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，其特征在于：从下到上依次包括底电极、GaAs衬底、表面重构的GaAs层、GaAs缓冲层、量子点中间带、石墨烯层、顶电极；所述量子点中间带由GaAs盖层和InAs量子点层交替叠加而成，GaAs缓冲层上为InAs量子点层，GaAs盖层和InAs量子点层的层数相同。
2.根据权利要求1所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，其特征在于：量子点中间带中InAs量子点层的层数为2～10层。
3.根据权利要求1所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，其特征在于：所述表面重构的GaAs层的厚度为200～1000nm；所述量子点中间带中InAs量子点层的厚度为1.6～3.6ML，GaAs盖层的厚度为20～100nm。
4.根据权利要求1所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，其特征在于：所述GaAs缓冲层的厚度为150～500nm；石墨烯的层数为1～10层；
底电极的厚度为80～300nm；顶电极的厚度为50～200nm。
5.根据权利要求1所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池，其特征在于：底电极和顶电极分别为金属电极；所述金属为Au，Ag或Al。
6.根据权利要求1～5任一项所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)生长底电极：在GaAs衬底的一面镀上一层金属电极，作为底电极，底电极的厚度为80～300nm；
(2)GaAs表面氧化层的去除：将镀有底电极的GaAs衬底进行高温退火处理，去除衬底表面的氧化层；
(3)GaAs表面重构：将GaAs衬底中镀有底电极的一面称为下表面，另一面成为上表面；利用分子束外延方法，在GaAs衬底上表面生长GaAs，获得表面重构GaAs层；生长温度为400～600℃，Ga源炉温度为850～1100℃，As源温度为240～380℃，表面重构的GaAs的厚度为200～1000nm；
(4)GaAs缓冲层：利用分子束外延方法，在表面重构GaAs层上沉积GaAs缓冲层，生长温度为450～660℃，Ga源炉温度为870～1050℃，As源炉温度为200～380℃；所述GaAs缓冲层的厚度为150～500nm；
(5)采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长量子点中间带：先采用分子束外延法在GaAs缓冲层上生长InAs量子点，然后在量子点层上沉积GaAs盖层，再在GaAs盖层上沉积量子点层，量子点层上再沉积GaAs盖层，如此重复，从而量子点层与GaAs盖层交替叠加形成量子点中间带；InAs量子点生长的条件为衬底温度为450～550℃条件下，In源炉温度为600～800℃，As源炉温度为240～380℃；沉积厚度为1.6～2.6ML的InAs量子点层；GaAs盖层生长的条件为生长温度为480～540℃，Ga源炉温度为870～1050℃，As源炉温度为200～380℃，GaAs盖层厚度为20～100nm；量子点中间带中InAs量子点层的层数为2～10层；
(6)转移石墨烯：将石墨烯转移至量子点中间带上，获得石墨烯层；石墨烯层的层数为1-10层；石墨烯层位于量子点中间带的GaAs盖层上；
(7)顶电极的制备：采用电子束蒸发方法，在石墨烯层上蒸镀顶电极，蒸镀温度为50～200℃，顶电极的厚度为50～200nm。
7.根据权利要求6所述包含量子点中间带的石墨烯肖特基结太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述GaAs衬底为n型GaAs晶片；步骤(2)中所述高温退火的温度为500～700℃，退火的时间为0.2～1h；步骤(7)中蒸镀时间为15～40分钟。
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