CN111916521A - 一种具有界面等离激元效应的双结GaAs/Si肖特基结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有界面等离激元效应的双结GaAs/Si肖特基结太阳电池及其制备方法。该双结GaAs/Si肖特基结太阳电池由下至上依次为Au/Pt背电极、n掺杂Si基区、石墨烯层、银纳米颗粒阵列、n掺杂InGaP背反射层，n掺杂GaAs基区、石墨烯层以及Ag电极。本发明还公开了以上双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池的制备方法。本发明的双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池，不仅制备工艺简单，器件生产成本较低，而且对环境污染较少，具有广阔应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池的技术领域，特别涉及一种具有子结界面等离激元效应的双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池及其制备方法。
背景技术
地球人口数量的不断增长、生态环境污染的加剧以及人类对能源需求的不断增加，使得人们对可再生清洁能源的开发激增。而太阳能是自然界中分布最为广泛，总量最大的清洁能源，从而引起了人们的极大研究兴趣。目前市场上商用的太阳电池以p-n结为基础制造而成，然而p-n结通常需要高温离子扩散和昂贵的离子注入工艺才能将掺杂剂引入基片中。其制备工艺复杂，且生产过程中污染和能耗高，这与清洁能源的目标相矛盾。
为此，人们将石墨烯等二维材料与半导体基片相结合制备出了肖特基结太阳电池，这类电池具有制备工艺简单、成本低以及生产过程中污染和能耗低的优点而收到了广泛关注。经过近十年的努力，单结肖特基结太阳电池效率得到了巨大的提升，但其进一步提升的空间受到了开路电压和光谱响应范围的限制，因此，叠层多结的石墨烯/半导体肖特基结太阳电池是对应问题的最优解。然而，石墨烯作为隧穿结的外延层衬底存在致命地界面层过厚问题，而键合工艺会大大增加器件的损伤和成本，另一方面，叠层结构多重界面的光反射和透射也使上下子结电池之间的光子分配效率降低，即高能光子被下层子结吸收而低能光子被上层子结反射等，因此低损低成本的太阳电池子结粘合技术亟需开发。
发明内容
为了克服上述技术存在的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种银纳米颗粒阵列连接的双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池。通过银纳米颗粒阵列将GaAs/石墨烯肖特基结电池与Si/石墨烯肖特基结太阳电池相连接制成双结太阳电池，一方面金属银与代替了传统的隧道结，这可有效简化电池制备工艺，降低工艺成本，另一方面双结电池可大幅度提高太阳电池的光电转换效率，同时，通过调整银纳米颗粒的形貌和尺寸，能够使其与石墨烯层的界面处对应特定光波长发生受光激发等离激元，增加上层子结对高能光子的利用和下层子结对低能光子的利用。
本发明的另一目的在于提供上述一种钯连接的双结GaAs/Si肖特基结太阳电池的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种具有子结界面等离激元效应的双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池，由下至上依次为Au/Pt背电极、n掺杂Si基区、石墨烯层、银纳米颗粒阵列、n掺杂InGaP背反射层，n掺杂GaAs基区、石墨烯层以及Ag电极（银浆顶电极）。
进一步地，所述GaAs基区晶向为（100），掺杂剂为Si，掺杂浓度为1×1017-2×1018/cm3。所述Si基区晶向为（100），掺杂剂为As，掺杂浓度为5×1017-5×1018/cm3
进一步地，所述Au/Pt背电极的厚度为(50-150nm)/(50-100nm)，Si基区厚度为50-500μm，GaAs基区厚度为20-500μm，石墨烯层的厚度为1-7层原子厚度，银纳米颗粒大小为10-100nm，导电银浆顶电极厚度为0.2-2μm。
上述钯连接的双结GaAs/Si肖特基结太阳电池的制备方法，包括下列制备步骤：
（1）采用电子束蒸镀法在Si背面蒸镀一层Au/Pt作为背电极，蒸镀结束后退火处理形成欧姆接触；
（2）用金刚笔将GaAs、Si衬底片裂成1-4cm2小片，并清洗；
（3）采用电子束蒸镀法在InGaP面以快速率蒸镀10-20nm Ag，随后进行真空快速退火，在GaAs子结背面（InGaP面）上得到银纳米颗粒阵列。
（4）将泡取好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在水面，用镊子夹住GaAs子结基片，使得石墨烯与GaAs面接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1-2小时。然后在20-80℃的丙酮中浸泡10-50min以去除石墨烯表面的PMMA。
（5）用镊子夹住Si衬底片，使得衬底片与泡取的石墨烯接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1-2小时。然后在20-80℃的丙酮中浸泡10-50分钟以去除石墨烯表面的PMMA，得到Si/石墨烯肖特基结子结。
（6）将含有银纳米颗粒阵列的InGaP面润湿，并将其与Si/石墨烯肖特基结子结的石墨烯接触，在室温下用柔性支架将两者轻压保持接触，抽真空2-3h后形成子结粘合结构。
（7）在GaAs上的石墨烯边缘贴上绝缘胶带以减少漏电，然后用注射器在绝缘胶带上涂一圈导电银浆，并保证导电银浆与石墨烯接触。最后在50-100℃加热烘干30-50分钟制得双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池。
上述方法中，步骤（1）中所述Au/Pt背电极的蒸镀速率均为0.2-1.5nm/s。
上述方法中，骤（1）中所述退火处理是指升温至150-400℃退火处理0.5-2min。
上述方法中，步骤（3）中所述Ag的蒸镀速率为2.0-3.5nm/s，退火处理指升温至100-300℃退火处理30s-60s。
本发明的原理如下：
金属银与InGaP的高接触电阻在子结界面引入了高势垒，使光生电子以隧穿的方式而非扩散的方式穿过金属纳米颗粒层，抑制电压损失，也将GaAs/石墨烯肖特基结与Si/石墨烯肖特基结连接起来形成了双结太阳电池，单结电池之间通过范德瓦尔斯力进行键合，另一方面，银纳米颗粒与石墨烯层接触的界面存在介电常数差，界面受光时银的自由电子吸收光能发生振荡，触发等离激元，单个等离激元的能量取决于光响应波长，而光响应波长可由银纳米颗粒的形貌和密度进行调整，故银纳米颗粒界面的等离激元效应能够实现上下子结的合理光分配，即使下层Si/石墨烯子结吸收更多长波长光子，而短波长光子更多地限制在上层GaAs/石墨烯子结。
相比于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
（1）现有的单结石墨烯/半导体单结太阳电池效率提升空间有限，通过制备双结GaAs/Si肖特基结太阳电池可有效提升太阳电池的效率。
（2）相比传统的pn结太阳电池，肖特基结太阳电池制备工艺简单，制作成本显著降低，可降低对环境的污染。
（3）使用银纳米颗粒代替传统的隧穿结连接顶层与底层电池可进一步降低器件的制备成本，简化制备工艺。
（4）银纳米颗粒阵列与石墨烯层接触触发的光激发等离激元效应能够有效减少太阳电池的光损耗和热损失，提高电池效率和抑制工作温度升高。
附图说明
图1为本发明实施例中双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1 本实施例的一种银纳米颗粒阵列的双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池及其制备方法，其结构示意图如图1所示。包括由下至上依次层叠的Au/Pt背电极1、n掺杂Si基区2、第一石墨烯层3、银纳米颗粒阵列4、n掺杂InGaP背反射层5、n掺杂GaAs基区6、第二石墨烯层7、银浆顶电极8。
所述一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池通过如下方法制备：
（1）采用Si掺杂的n型GaAs半导体，其厚度为350μm，晶向为(100)，
掺杂浓度是1×1017/cm3。采用Si掺杂的n型InGaP半导体，其厚度为10μm，晶向为(100)，掺杂浓度是1×1018/cm3，采用As掺杂的n型Si半导体，其厚度为300μm，晶向为（100），掺杂浓度为1×1018/cm3。通过电子束蒸镀系统在Si背面蒸镀一层Au和Pt作为背电极，蒸镀速率为1.1 nm/s，厚度为（100+50）nm，蒸镀结束后进行退火处理。退火温度为200℃，退火时间为1min。
（2）用金刚笔将GaAs和Si外延片裂成1cm2的小片并清洗。
（3）通过电子束蒸镀系统在GaAs子结的InGaP面蒸镀一层Ag作为背电极，蒸镀速率为3 nm/s，厚度为10nm，蒸镀结束后进行退火处理。退火温度为200℃，退火时间为1min在GaAs子结的InGaP面上得到银纳米颗粒阵列。
（4）将泡取好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在水面，用镊子夹住GaAs子结片，使得石墨烯与不含银纳米颗粒的那面接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1小时。然后在30℃的丙酮中浸泡10分钟以去除石墨烯表面的PMMA。
（5）用镊子夹住Si片，使得其与泡取的石墨烯接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1小时。然后在50℃的丙酮中浸泡50分钟以去除石墨烯表面的PMMA，得到Si/石墨烯肖特基结电池。
（6）将含有银的GaAs背面润湿，并将其与Si/石墨烯肖特基结电池的石墨烯接触，在室温下将两者叠层放置，以柔性支架轻压，抽真空2h后形成子结粘合结构。
（7）在石墨烯边缘贴上绝缘胶带以减少漏电，然后用注射器在绝缘胶带上涂一圈导电银浆，并保证导电银浆与石墨烯接触。最后在60℃加热烘干40分钟制得双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池。
本实施例中提供了一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池及其制备方法，银纳米颗粒阵列代替传统的隧穿结连接顶电池和底电池，可有效降低器件制作成本，简化制备工艺，减少对环境的污染，另一方面，银纳米颗粒阵列与石墨烯层接触形成的曲界面，在受光照时能够触发等离激元效应，增强下层Si子结对特定波段光的吸收，并抑制下层Si子结对高能光子的吸收，将高能光子反射到上层GaAs子结进行吸收，使叠层双结电池的光能吸收效率提升，热损耗下降，最终提高太阳电池的光电转换效率。双结肖特基结太阳电池可显著提高肖特基结电池的效率并保持着较低的器件制备成本，具有广阔的应用前景。
实施例2 （1）采用Si掺杂的n型GaAs半导体，其厚度为400μm，晶向为(100)，
掺杂浓度是5×1017/cm3。采用As掺杂的n型Si半导体，其厚度为400μm，晶向为（100），掺杂浓度为1×1018/cm3。通过电子束蒸镀系统在Si背面蒸镀一层Au和Pt作为背电极，蒸镀速率为1.5 nm/s，厚度为（150+100）nm，蒸镀结束后进行退火处理。退火温度为300℃，退火时间为0.6min。
（2）用金刚笔将GaAs和Si片裂成2.25cm2的小片并清洗。
（3）通过电子束蒸镀系统在GaAs子结的InGaP面蒸镀一层Ag作为背电极，蒸镀速率为2.7 nm/s，厚度为20nm，蒸镀结束后进行退火处理。退火温度为300℃，退火时间为0.5min在GaAs子结的InGaP面上得到银纳米颗粒阵列。
（4）将泡取好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在水面，用镊子夹住GaAs衬底片，使得石墨烯与不含钯纳米颗粒的那面接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1小时。然后在40℃的丙酮中浸泡10分钟以去除石墨烯表面的PMMA。
（5）用镊子夹住Si片，使得Si片的非金属端与泡取的石墨烯接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1小时。然后在50℃的丙酮中浸泡50分钟以去除石墨烯表面的PMMA，得到Si/石墨烯肖特基结电池。
（6）将含有银纳米颗粒的GaAs的InGaP面润湿，并将其与Si/石墨烯肖特基结电池的石墨烯接触，在室温下将两者叠层放置，以柔性支架轻压，抽真空1.5h后形成子结粘合结构。
（7）在石墨烯边缘贴上绝缘胶带以减少漏电，然后用注射器在绝缘胶带上涂一圈导电银浆，并保证导电银浆与石墨烯接触。最后在70℃加热烘干30分钟制得双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池。
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上述实施例的限制，其它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)
1.一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池，其特征在于：由下至上依次为Au/Pt背电极、n掺杂Si基区、石墨烯层、银纳米颗粒阵列、n掺杂InGaP背反射层，n掺杂GaAs基区、石墨烯层以及Ag电极。
2.根据权利要求1所述双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池，其特征在于：所述GaAs基区晶向为（100），掺杂剂为Si，掺杂浓度为1×1017-2×1018/cm3；
所述Si基区晶向为（100），掺杂剂为As，掺杂浓度为5×1017-5×1018/cm3。
3.根据权利要求1所述双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池，其特征在于：所述Au/Pt背电极的厚度为(50-150nm)/(50-100nm)，Si基区厚度为50-500μm，GaAs基区厚度为20-500μm，石墨烯层的厚度为1-7层原子厚度，银纳米颗粒大小为10-100nm，导电银浆顶电极厚度为0.2-2μm。
4.权利要求1所述的一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括下列制备步骤：
（1）采用电子束蒸镀法在Si背面蒸镀一层Au和Pt作为背电极，蒸镀结束后退火处理形成欧姆接触；
（2）用金刚笔将GaAs、Si衬底片裂成1-4cm2小片，并清洗；
（3）采用电子束蒸镀法在InGaP面以快速率蒸镀10-20nm Ag，随后进行真空快速退火，在GaAs子结背面即InGaP面，上得到银纳米颗粒阵列；
（4）将泡取好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在水面，用镊子夹住GaAs子结基片，使得石墨烯与GaAs面接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1-2小时，然后在20-80℃的丙酮中浸泡10-50min以去除石墨烯表面的PMMA；
（5）用镊子夹住Si衬底片，使得衬底片与泡取的石墨烯接触后捞出，放置于真空干燥箱中抽真空室温干燥1-2小时，然后在20-80℃的丙酮中浸泡10-50分钟以去除石墨烯表面的PMMA，得到Si/石墨烯肖特基结子结；
（6）将含有银纳米颗粒阵列的InGaP面润湿，并将其与Si/石墨烯肖特基结子结的石墨烯接触，在室温下用柔性支架将两者轻压保持接触，抽真空2-3h后形成子结粘合结构；
（7）在GaAs上的石墨烯边缘贴上绝缘胶带以减少漏电，然后用注射器在绝缘胶带上涂一圈导电银浆，并保证导电银浆与石墨烯接触，最后在50-100℃加热烘干30-50分钟制得双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池。
5.根据权利要求4所述一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/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Au/Pt背电极的蒸镀速率均为0.2-1.5nm/s。
6.根据权利要求4所述一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/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，所述退火处理是指升温至150-400℃退火处理0.5-2min。
7.根据权利要求4所述一种双结（Si/石墨烯）/（GaAs/石墨烯）肖特基结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，所述InGaP面的银蒸镀速率为2.0-3.5nm/s，退火处理指以升温速率为20℃/s，升温至100-300℃退火处理30s-60s。
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