CN109037392A - 一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其为一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，包括以下流程：步骤一、将硼掺杂叠层硅量子点引入到石墨烯/n型硅结构太阳能电池上，形成p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池。本发明通过将B掺杂叠层硅量子点引入石墨烯/n型硅结构太阳能电池，形成p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构，从而有效提高该太阳能电池的光电转换效率，且p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池避免了单晶硅材料的大量消耗，与传统单晶硅太阳能电池相比能节约2/3单晶硅的消耗，大大降低了硅基太阳能电池的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体为一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺。
背景技术
在石墨烯/硅结构太阳能电池中，太阳光很容易透过石墨烯进入到肖特基结区，在硅吸收区域处形成光生载流子，光生载流子在内建电场的作用下进行分离，形成光电流。与传统晶硅太阳能电池相比，石墨烯/硅基结构太阳能电池不仅能避免了高温、高真空等复杂的制备过程，而且还更有利于光吸收和载流子的分离和输运。因此，石墨烯/硅结构太阳能电池在新一代低成本高效率光伏器件的研究中得到了越来越多的关注。但是，目前石墨烯/硅结构太阳能电池的实验室转化效率仅仅达到了10％左右，远低于我们目前商用晶硅太阳能电池的转化效率(20％左右)，离硅基薄膜太阳能电池的商用水平(PCE＝15％)也存在着一定的距离。所以，能否进一步提高石墨烯/硅基结构太阳能电池转化效率是其商业化进程中面临的关键问题。鉴于此，我们提出一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，包括以下流程：
步骤一、将硼掺杂叠层硅量子点引入到石墨烯/n型硅结构太阳能电池上，形成p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池，具体的器件制备过程如下：
(1)、通过等离子体增强气相沉积法在1cm*1cm尺寸的n型硅上表面制备一层厚度为500nm左右的二氧化硅绝缘层，中间留出0.5cm*0.5cm大小的窗口；
(2)、通过磁控溅射方式制备一层Au薄膜铺盖在SiO2绝缘层上作为顶电极使用，厚度为50nm左右；
(3)、通过转移将石墨烯层铺盖在n型硅上表面窗口处，石墨烯层厚度为10-15nm，以期与n型硅形成肖特基结结构，同时石墨烯层边缘与Au电具有电学接触；
(4)、通过等离子体增强气相沉积法在石墨烯层上制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构，激光诱导晶化处理后形成叠层硅量子点多层膜，硅量子点多层膜厚度为30nm左右，以期与石墨烯层形成异质结结构；
(5)、在n型硅下表面制备In/Ga合金薄膜作为底电极使用；
步骤二、在石墨烯/硅肖特基结界面处引入一层氧化层，对石墨烯/硅肖特基结界面进行修饰。
作为本发明的优选，步骤(4)通过等离子体增强气相沉积法制备叠层硅量子点多层膜样品的具体流程如下：
①将清洗干净的衬底装入反应腔内，通入流量为20sccm的氢气，在射频功率为20W的条件下进行预处理5分钟；
②将反应腔抽至真空，通入甲烷和硅烷的混合气体作为反应气体，制备氢化非晶碳化硅薄膜作为介质层，沉积时间为20s，沉积介质层的厚度为2nm，接下来，将反应腔抽至真空，通入流量为5sccm的反应气体SiH4，同时，根据设计的掺杂浓度，选择通入硼烷，从而沉积硼掺杂a-Si:H薄膜，淀积时间设置100s，沉积薄膜厚度为10nm，两个过程交替进行两周期；类似地，将沉积时间变为80s，沉积厚度为8nm的B掺杂a-Si:H薄膜，接着，沉积厚度为2nm的a-SiC:H薄膜，两个过程交替进行两个周期；最后，将沉积时间变为40s，沉积厚度为4nm的a-Si:H薄膜，接下来沉积厚度为2nm的a-SiC:H薄膜，两个过程同样交替进行两个周期，这样，就沉积了非晶硅子层厚度自下而上分别为10nm、8nm和4nm的B掺杂a-Si:H/SiC:H渐变结构多层膜；
③使用KrF准分子脉冲激光器对步骤②制得的非晶样品进行激光退火处理，激光脉冲能量为350mJ/cm2，重复辐照5个脉冲。
作为本发明的优选，制备叠层硅量子点多层膜样品采用的是功率源频率为13.56MHz的常规射频等离子体增强化学气相沉积。
作为本发明的优选，在制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的过程中衬底温度维持在250℃，射频功率为30W。
作为本发明的优选，在制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的过程中反应气体甲烷和硅烷的流量比为50sccm:5sccm。
作为本发明的优选，在激光退火处理过程中所使用的KrF准分子脉冲激光器的波长为248nm，脉宽为25ns。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在器件应用方面，将B掺杂叠层硅量子点引入石墨烯/n型硅结构太阳能电池，形成p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构，通过p型叠层硅量子点来调节石墨烯的费米能级，避免了化学工艺下进行掺杂时对石墨烯材料所造成的结构性破坏。提高石墨烯/n型硅肖特基结中内建电场，从而提高器件的光电性能。p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池的光电转换效率能够达到15％以上。
2、本发明在器件制备方面，p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池避免了单晶硅材料的大量消耗。在石墨烯材料制备技术日趋成熟以及硅量子点制备工艺日益完善的基础上，新型的石墨烯/硅基结构太阳能电池与传统单晶硅太阳能电池相比能节约2/3单晶硅的消耗，大大降低了硅基太阳能电池的生产成本。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的技术方案：
一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，包括以下流程：
步骤一、将硼掺杂叠层硅量子点引入到石墨烯/n型硅结构太阳能电池上，形成p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池，具体的器件制备过程如下：
(1)、通过等离子体增强气相沉积法在1cm*1cm尺寸的n型硅上表面制备一层厚度为500nm左右的二氧化硅绝缘层，中间留出0.5cm*0.5cm大小的窗口；
(2)、通过磁控溅射方式制备一层Au薄膜铺盖在SiO2绝缘层上作为顶电极使用，厚度为50nm左右；
(3)、通过转移将石墨烯层铺盖在n型硅上表面窗口处，石墨烯层厚度为10-15nm，以期与n型硅形成肖特基结结构，同时石墨烯层边缘与Au电具有电学接触；
(4)、通过等离子体增强气相沉积法在石墨烯层上制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构，激光诱导晶化处理后形成叠层硅量子点多层膜，硅量子点多层膜厚度为30nm左右，以期与石墨烯层形成异质结结构；
(5)、在n型硅下表面制备In/Ga合金薄膜作为底电极使用。
步骤二、在石墨烯/硅肖特基结界面处引入一层氧化层，对石墨烯/硅肖特基结界面进行修饰。
本实施例中，步骤(4)通过等离子体增强气相沉积法制备叠层硅量子点多层膜样品的具体流程如下：
①将清洗干净的衬底装入反应腔内，通入流量为20sccm(标准毫升每分钟)的氢气(H2)，在射频功率为20W的条件下进行预处理5分钟，利用氢离子的刻蚀和钝化作用提高沉积薄膜的质量；
②将反应腔抽至真空，通入甲烷和硅烷的混合气体作为反应气体，制备氢化非晶碳化硅薄膜作为介质层，目的是通过限制晶化来控制硅量子点的生长，沉积时间为20s，沉积介质层的厚度为2nm，该厚度下的介质层有利于载流子的隧穿，接下来，将反应腔抽至真空，通入流量为5sccm的反应气体SiH4，同时，根据设计的掺杂浓度，选择通入硼烷，从而沉积硼掺杂a-Si:H薄膜，淀积时间设置100s，沉积薄膜厚度为10nm，两个过程交替进行两周期；类似地，将沉积时间变为80s，沉积厚度为8nm的B掺杂a-Si:H薄膜，接着，沉积厚度为2nm的a-SiC:H薄膜，两个过程交替进行两个周期；最后，将沉积时间变为40s，沉积厚度为4nm的a-Si:H薄膜，接下来沉积厚度为2nm的a-SiC:H薄膜，两个过程同样交替进行两个周期，这样，就沉积了非晶硅子层厚度自下而上分别为10nm、8nm和4nm的B掺杂a-Si:H/SiC:H渐变结构多层膜；
③上述非晶样品制备完成后，使用KrF准分子脉冲激光器对样品进行激光退火处理，激光脉冲能量为350mJ/cm2，重复辐照5个脉冲，选择这一能量进行激光晶化可使得a-Si:H子层发生结晶而a-SiC:H子层依旧保持着非晶相。由于限制性晶化原理，a-Si:H子层中结晶成核，在纵向上受到两侧介质层的限制，形成尺寸可控的硅量子点。
本实施例中，制备叠层硅量子点多层膜样品采用的是功率源频率为13.56MHz的常规射频等离子体增强化学气相沉积。
本实施例中，在制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的过程中衬底温度维持在250℃，射频功率为30W。
本实施例中，在制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的过程中反应气体甲烷和硅烷的流量比为50sccm:5sccm。
本实施例中，在激光退火处理过程中所使用的KrF准分子脉冲激光器的波长为248nm，脉宽为25ns。
本发明一方面通过p型硅量子点来调控(降低)石墨烯的费米能级，增强石墨烯/n型硅肖特基结中的内建电场；调控硅量子点尺寸来设计量子点禁带宽度，减小其在短波长范围内的吸收；优化硅量子点薄膜厚度来兼顾其光吸收性能和载流子输运性能；优化硅量子点掺杂浓度，将硅量子点引入到石墨烯/n型硅肖特基结太阳能电池上，形成p型硅量子点/石墨烯/n型硅结构太阳能电池；通过硅量子点对石墨烯费米能级进行有效调控(降低其费米能级)，增强石墨烯/n型硅肖特基结耗尽区的内建电场，提高光生载流子在耗尽区的分离，从而提高器件开路电压。
另一方面，在石墨烯/n型硅肖特基结界面处引入适当厚度的氧化层进行界面调控，从而提高器件填充因子。
通过上述对结构的设计，能够提高石墨烯/硅结构太阳能电池的光电性能，并提高石墨烯/硅结构太阳能电池的光电转化效率。
将通过本发明的生产工艺制得的石墨烯/硅结构太阳能电池和通过普通工艺制得的石墨烯/硅结构太阳能电池进行对比：
由上述实验数据对比可以得出，通过本发明的生产工艺制得的石墨烯/硅结构太阳能电池的光电转化效率明显高于通过普通工艺制得的石墨烯/硅结构太阳能电池的光电转化效率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，其特征在于：包括以下流程：
步骤一、将硼掺杂叠层硅量子点引入到石墨烯/n型硅结构太阳能电池上，形成p型叠层硅量子点/石墨烯/二氧化硅/n型硅结构太阳能电池，具体的器件制备过程如下：
(1)、通过等离子体增强气相沉积法(PECVD)在1cm*1cm尺寸的n型硅上表面制备一层厚度为500nm左右的二氧化硅绝缘层，中间留出0.5cm*0.5cm大小的窗口；
(2)、通过磁控溅射方式制备一层Au薄膜铺盖在SiO2绝缘层上作为顶电极使用，厚度为50nm左右；
(3)、通过转移将石墨烯层铺盖在n型硅上表面窗口处，石墨烯层厚度为10-15nm，以期与n型硅形成肖特基结结构，同时石墨烯层边缘与Au电具有电学接触；
(4)、通过等离子体增强气相沉积法在石墨烯层上制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构，激光诱导晶化处理后形成叠层硅量子点多层膜，硅量子点多层膜厚度为30nm左右，以期与石墨烯层形成异质结结构；
(5)、在n型硅下表面制备In/Ga合金薄膜作为底电极使用；
步骤二、在石墨烯/硅肖特基结界面处引入一层氧化层，对石墨烯/硅肖特基结界面进行修饰。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，其特征在于：步骤(4)通过等离子体增强气相沉积法制备叠层硅量子点多层膜样品的具体流程如下：
①将清洗干净的衬底装入反应腔内，通入流量为20sccm的氢气，在射频功率为20W的条件下进行预处理5分钟；
②将反应腔抽至真空，通入甲烷和硅烷的混合气体作为反应气体，制备氢化非晶碳化硅薄膜作为介质层，沉积时间为20s，沉积介质层的厚度为2nm，接下来，将反应腔抽至真空，通入流量为5sccm的反应气体SiH4，同时，根据设计的掺杂浓度，选择通入硼烷，从而沉积硼掺杂a-Si:H薄膜，淀积时间设置100s，沉积薄膜厚度为10nm，两个过程交替进行两周期；类似地，将沉积时间变为80s，沉积厚度为8nm的B掺杂a-Si:H薄膜，接着，沉积厚度为2nm的a-SiC:H薄膜，两个过程交替进行两个周期；最后，将沉积时间变为40s，沉积厚度为4nm的a-Si:H薄膜，接下来沉积厚度为2nm的a-SiC:H薄膜，两个过程同样交替进行两个周期，这样，就沉积了非晶硅子层厚度自下而上分别为10nm、8nm和4nm的B掺杂a-Si:H/SiC:H渐变结构多层膜；
③使用KrF准分子脉冲激光器对步骤②制得的非晶样品进行激光退火处理，激光脉冲能量为350mJ/cm2，重复辐照5个脉冲。
3.根据权利要求2所述的石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，其特征在于：制备叠层硅量子点多层膜样品采用的是功率源频率为13.56MHz的常规射频等离子体增强化学气相沉积。
4.根据权利要求2所述的石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，其特征在于：在制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的过程中衬底温度维持在250℃，射频功率为30W。
5.根据权利要求4所述的石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，其特征在于：在制备非晶硅/非晶碳化硅多层膜结构的过程中反应气体甲烷和硅烷的流量比为50sccm:5sccm。
6.根据权利要求4所述的石墨烯/硅结构太阳能电池的生产工艺，其特征在于：在激光退火处理过程中所使用的KrF准分子脉冲激光器的波长为248nm，脉宽为25ns。
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