CN109728119A - 一种石墨烯/AlGaAs/GaAs/GaInAs多异质结太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯/AlGaAs/GaAs/GaInAs多异质结太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/AlxGa1‑xAs/GaAs/GayIn1‑yAs多异质结太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池自下而上依次为：背面电极、PET衬底、石墨烯/GayIn1‑yAs、石墨烯/GaAs、石墨烯/AlxGa1‑xAs、正面电极。本发明利用石墨烯/GayIn1‑yAs、石墨烯/GaAs、石墨烯/AlxGa1‑xAs的帯隙不同，可针对不同频率的太阳光分别吸收，显著提高太阳能电池的光电转换效率；且制备时不需要考虑晶格匹配问题，解除了多结太阳能电池选材的限制，多结太阳能电池中的各个异质结可以“搭积木”一样累叠在一起，实现异质结与异质结之间的自由叠加；此外，异质结的加入可以形成更高的开路电压。本发明的多异质结太阳能电池具有转化效率高、工艺简单、便于推广的特点。

Description

一种石墨烯/AlGaAs/GaAs/GaInAs多异质结太阳能电池及其 制备方法
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，尤其涉及一种石墨烯/AlGaAs/GaAs/GaInAs(即石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs)多异质结太阳能电池及其制备方法，属于新型太阳能电池技术领域。
背景技术
几十年来，随着人类数量的膨胀、社会经济的发展，能源需求日益增多。人们在不断努力维持巨大能源消耗的同时，也在尝试最大限度地降低地球资源成本。这时候，越来越多的科学家把目光投向了可再生的太阳能。可以说，太阳能是一种取之不尽、用之不竭的二次清洁能源，它总量大、无污染，是解决当今能源问题的最有效途径之一。在对太阳能的利用中，大阳能光电是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，也是其中最受瞩目的项目之一。目前，晶体硅太阳能电池占据市场80％以上的份额。但与常规发电相比，太阳能电池发电具有转换效率低、发电成本高的劣势，限制了其进一步的发展。
将太阳能直接转换为电能的太阳能电池是支持人类为可持续发展最有前途的方式之一。因此，高效的太阳能电池是全世界数十年来科学家们关注的焦点。除了广泛使用的传统半导体PN结太阳能电池之外，基于贵金属纳米颗粒，碳材料，钙钛矿材料和有机材料的结构是高性能太阳能电池的有力候选。作为碳材料的基本成员，只有一个单层碳原子的石墨烯在科学界的广泛关注，其中具有极高的电子迁移率，高度可调的导电性，微尺度弹道传输，异常的量子霍尔效应，2.3％的可见光吸收率和高机械强度等优异的电学，光学和物理性能，所有这些特性使石墨烯成为人类发展材料中明确的“异类”。其中石墨烯在太阳能电池领域的应用研究已有显著成效。目前，有研究者发现利用石墨烯作为栅电极可以调控底层石墨烯的费米能级，在电场的调控下，电池的光电转换效率已经达到18.5％，预计可以超过30％，远超目前商用硅基太阳能电池，预示着未来商业化的前景。
太阳能光谱可被分为连续的若干部分，用能带宽度与这些部分相匹配的材料做成电池，并按照禁带宽度从大到小的顺序从上到下累叠起来，让波长最短的光被最上层的宽隙材料电池利用，波长较长的光能透射进去让较窄禁带宽度的材料电池利用，这就有可能最大限度地将光能转换为电能。石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池的一个重要特点是利用石墨烯/GayIn1-yAs、石墨烯/GaAs、石墨烯/AlxGa1-xAs的帯隙不同，对不同频率的太阳能分别吸收，从而显著提高太阳能电池的光电转换效率。其中的GayIn1-yAs的帯隙宽度根据组分可以在0.35eV到1.42eV之间变化。GaAs的帯隙宽度为1.42eV。AlxGa1-xAs的带隙宽度根据组分可以在1.42eV到2.17eV之间变化，当x<0.45时，AlxGa1-xAs的帯隙宽度为(1.424+1.247x)eV；当x>0.45时，AlxGa1-xAs的帯隙宽度为(1.9+0.125x+0.143x2)eV；最高可达2.168eV。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池及其制备方法。
本发明的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，自下而上依次有背面电极、PET衬底、石墨烯/GayIn1-yAs层、石墨烯/GaAs层、石墨烯/AlxGa1-xAs和正面电极。
所述的石墨烯/GayIn1-yAs层和石墨烯/GaAs层之间、以及石墨烯/GaAs层和石墨烯/AlxGa1-xAs层之间分别存在隧穿结，所述的隧穿结为重掺杂的AlGaAs、GaInP、GaAs、InGaAs等材料。其中n型重掺杂通常是指采用二乙基锌(DZZn)和H2Se或H2稀释的SiH4作为掺杂剂进行重掺杂；p型重掺杂通常是指用Zn、Be、Ge或C等作为掺杂剂进行重掺杂。
所述的石墨烯/GayIn1-yAs层、石墨烯/GaAs层、石墨烯/AlxGa1-xAs层中石墨烯的厚度为0.4纳米至10纳米。
所述的AlxGa1-xAs中，x大于0且x小于1；所述的GayIn1-yAs中，y大于0且y小于1。
所述的背面电极是金、钯、银、钛、铬、镍、ITO、FTO、AZO的一种或者几种的复合电极。
所述的正面电极是金、钯、银、钛、铜、铂、铬、镍、ITO、FTO、AZO的一种或者几种的复合电极。
制造上述石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池的方法，包括如下步骤：
1)在PET衬底的一面制作背电极；
2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)技术分别制备AlxGa1-xAs、GayIn1-yAs、GaAs，生长源主要选自三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、砷烷和磷烷，生长温度范围为600～700℃；
3)分别在步骤2)所得的AlxGa1-xAs、GayIn1-yAs、GaAs三种半导体上转移石墨烯，使得石墨烯覆盖在半导体上形成异质结；
4)通过柔性高分子材料作为支撑层将石墨烯/GayIn1-yAs层转移至步骤1)所得的PET衬底另一面上，并制作隧穿结；
5)通过柔性高分子材料作为支撑层将石墨烯/GaAs层转移至步骤4)所得的单结太阳能电池上，使得石墨烯/GaAs覆盖在隧穿结上；
6)通过柔性高分子材料作为支撑层将石墨烯/AlxGa1-xAs层转移至步骤5)所得的双结太阳能电池上，使得石墨烯/AlxGa1-xAs覆盖在隧穿结上；
7)在石墨烯/AlxGa1-xAs上制作正面电极。
本发明的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池利用石墨烯/GayIn1-yAs、石墨烯/GaAs、石墨烯/AlxGa1-xAs的帯隙不同，可针对不同频率的太阳光分别吸收，从而显著提高太阳能电池的光电转换效率。与传统多结太阳能电池相比，石墨烯与半导体形成异质结不需要考虑晶格匹配，解除了多结太阳能电池选材的限制；同时，由于二维材料的可堆叠性，本发明中多异质结太阳能电池打破了传统太阳能电池的制作方法，多结太阳能电池中的各个异质结可以“搭积木”一样累叠在一起，实现异质结与异质结之间的自由叠加；此外，异质结的加入可以形成更高的开路电压。本发明阐述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池具有转化效率高、工艺简单、便于推广的特点。
附图说明
图1为石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池的结构示意图；
图2为石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs的J-V曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
参照图1，本发明的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于自下而上依次有背面电极(1)、PET衬底(2)、石墨烯/GayIn1-yAs层(3)、石墨烯/GaAs层(4)、石墨烯/AlxGa1-xAs层(5)和正面电极(6)。
实施例1：
1)首先在PET衬底的一面制作背面电极——Ag电极，另一面上生长N型In0.5Ga0.5As层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第一隧穿层；
2)在柔性高分子材料支撑层上利用MOCVD技术，以三甲基镓(TMGa)为生长源，在680℃下生长GaAs层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第二隧穿层；
3)在柔性高分子材料支撑层上生长一层N型Al0.5Ga0.5As，转移少层石墨烯。
4)将上述2)所得转移到1)所得的隧穿结一面上，将3)所得转移到1)与2)相叠后的隧穿结一面上，并在3)的石墨烯一面制备正面Ag电极，得到一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池。
当x＝0.5时，AlxGa1-xAs的帯隙宽度为1.998eV，当y＝0.5时，GayIn1-yAs帯隙宽度为0.890eV，而GaAs的帯隙宽度为1.424eV，三者自下而上以Ge、GaAs、石墨烯/AlxGa1-xAs序列排布，帯隙宽度依次增大，可对不同频率的太阳能分别吸收，从而显著提高太阳能电池的光电转换效率。此外，与已有的多结太阳能电池相比，石墨烯与半导体形成异质结不需要晶格匹配，同时石墨烯与AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs等半导体形成的异质结具有更高的开路电压(石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs的J-V见附图2所示)，因此光电转换效率更高。本发明阐述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池具有转化效率高、工艺简单、便于推广的特点。
实施例2：
1)首先在PET衬底的一面制作背面电极——Au电极，另一面上生长N型In0.5Ga0.5As层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第一隧穿层；
2)在柔性高分子材料支撑层上利用MOCVD技术，以三甲基镓(TMGa)为生长源，在680℃下生长GaAs层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第二隧穿层；
3)在柔性高分子材料支撑层上生长一层N型Al0.5Ga0.5As，转移少层石墨烯。
4)将上述2)所得转移到1)所得的隧穿结一面上，将3)所得转移到1)与2)相叠后的隧穿结一面上，并在3)的石墨烯一面制备正面Ag电极，得到一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池。
实施例3：
1)首先在PET衬底的一面制作背面电极——Ag电极，另一面上生长N型In0.5Ga0.5As层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第一隧穿层；
2)在柔性高分子材料支撑层上利用MOCVD技术，以三甲基镓(TMGa)为生长源，在680℃下生长GaAs层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第二隧穿层；
3)在柔性高分子材料支撑层上生长一层P型Al0.5Ga0.5As，转移少层石墨烯。
4)将上述2)所得转移到1)所得的隧穿结一面上，将3)所得转移到1)与2)相叠后的隧穿结一面上，并在3)的石墨烯一面制备正面Ag电极，得到一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池。
实施例4：
1)首先在PET衬底的一面制作背面电极——Ag电极，另一面上生长N型In0.5Ga0.5As层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第一隧穿层；
2)在柔性高分子材料支撑层上利用MOCVD技术，以三甲基镓(TMGa)为生长源，在680℃下生长GaAs层，并转移少层石墨烯，然后在石墨烯一面制作重掺杂的GaAs结作为第二隧穿层；
3)在柔性高分子材料支撑层上生长一层N型Al0.01Ga0.99As，转移少层石墨烯，并制备正面Ag电极，得到一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池。
4)将上述2)所得转移到1)所得的隧穿结一面上，将3)所得转移到1)与2)相叠后的隧穿结一面上，并在3)的石墨烯一面制备正面Ag电极，得到一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池。

Claims (8)

1.一种石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，自下而上依次有背面电极(1)、PET衬底(2)、石墨烯/GayIn1-yAs层(3)、石墨烯/GaAs层(4)、石墨烯/AlxGa1-xAs层(5)和正面电极(6)。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，所述的石墨烯/GayIn1-yAs层(3)和石墨烯/GaAs层(4)之间、以及石墨烯/GaAs层(4)和石墨烯/AlxGa1-xAs层(5)之间分别存在隧穿结，所述的隧穿结为重掺杂的AlGaAs、GaInP、GaAs、InGaAs等材料。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，所述的石墨烯/GayIn1-yAs层(3)、石墨烯/GaAs层(4)、石墨烯/AlxGa1-xAs层(5)中的半导体是利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)技术制备，生长源主要选自三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、砷烷和磷烷，生长温度范围为600～700℃。
4.根据权利要求1所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，所述的石墨烯/GayIn1-yAs层(3)、石墨烯/GaAs层(4)、石墨烯/AlxGa1-xAs层(5)中石墨烯的厚度为0.4纳米至10纳米。
5.根据权利要求1所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，所述的AlxGa1-xAs中，x大于0且x小于1；所述的GayIn1-yAs中，y大于0且y小于1。
6.根据权利要求1所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，所述的背面电极是金、钯、银、钛、铬、镍、ITO、FTO、AZO的一种或者几种的复合电极。
7.根据权利要求1所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池，其特征在于，所述的正面电极是金、钯、银、钛、铜、铂、铬、镍、ITO、FTO、AZO的一种或者几种的复合电极。
8.制造如权利要求1-7任一项所述的石墨烯/AlxGa1-xAs/GaAs/GayIn1-yAs多异质结太阳能电池的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)在PET衬底的一面制作背面电极；
2)利用金属有机物化学气相沉积法(MOCVD)技术分别制备AlxGa1-xAs、GayIn1-yAs、GaAs，生长源选自三甲基镓(TMGa)、三甲基铟(TMIn)、三甲基铝(TMAl)、砷烷和磷烷，生长温度范围为600～700℃；
3)在步骤2)所得的AlxGa1-xAs、GayIn1-yAs、GaAs三种半导体上分别转移石墨烯，使得石墨烯覆盖在半导体上形成异质结，获得石墨烯/GayIn1-yAs、石墨烯/GaAs层、石墨烯/AlxGa1- xAs层；
4)通过柔性高分子材料作为支撑层将石墨烯/GayIn1-yAs层转移至步骤1)所得的PET衬底另一面上，并制作隧穿结；
5)通过柔性高分子材料作为支撑层将石墨烯/GaAs层转移至步骤4)所得的单结太阳能电池上，使得石墨烯/GaAs覆盖在隧穿结上；
6)通过柔性高分子材料作为支撑层将石墨烯/AlxGa1-xAs层转移至步骤5)所得的双结太阳能电池上，使得石墨烯/AlxGa1-xAs覆盖在隧穿结上；
7)在石墨烯/AlxGa1-xAs上制作正面电极。
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