CN112331774B - 砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池结构及其制备 - Google Patents

砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池结构及其制备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池结构及其制备，其结构为由背反射层、N型砷化镓、P型单壁碳纳米管，图形化金电极、减反射层等组成。电池由以下步骤制备：(1)在超薄外延生长N型砷化镓表面利用光刻技术制备由图形化镍锗金电极与介电层阵列组成的背反射层；(2)采用剥离工艺将沉积有背反射层的超薄N型砷化镓从基底表面剥离，并将其朝上放置；(3)旋涂制备P型单壁碳纳米管薄膜，并依次沉积图形化金电极和减反射层。本发明中砷化镓与单壁碳纳米管同时贡献光电流，利用两者之间超薄耗尽层缩短光生载流子的输运距离。同时，本发明通过图形化背电极和介电材料阵列来增加光子吸收长度，提高光电转换效率。

Description

砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池结构及其制备
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池结构及制备，尤其是涉及一种利用超薄N型砷化镓与P型单壁碳纳米管构建超薄太阳电池及其制备方法。
背景技术
以砷化镓和硅为代表的传统高效太阳电池制备的核心在于制备PN结构，这需要通常需要复杂的生长过程和掺杂工艺，这对于生产设备、工艺条件等提出了较为严苛的要求，严重限制了以砷化镓基为主的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料太阳电池的研发、生产和大规模应用。研究表明，当碳纳米管与N型砷化镓直接结合后可以形成具有原子级界面的范德华异质结结构，光照条件下展示出显著的光伏效应，也可以被用于制备新型砷化镓太阳电池。这种新型异质结太阳电池具有结构简单、工艺简便、成本低廉、不受晶格匹配限制等诸多优点，而且碳纳米管具有超高载流子迁移率、高光吸收系数和较好的机械性能，在近红外波段的光吸收系数可比传统窄带隙半导体高1-2个数量级。因此，碳纳米管与N型砷化镓有望构建比碳纳米管/硅异质结太阳更高光电转换效率的新型太阳电池。
但是，目前已报道的无论碳纳米管/硅异质结太阳电池还是碳纳米管/砷化镓异质结太阳电池，为了重复吸收太阳光提高光电转换效率，硅或砷化镓需要有一定厚度，才能完全吸收入射光(硅和砷化镓厚度降低将导致无法完全吸收太阳光，进而导致光电转换效率下降)，因此，P型碳纳米管仅仅作为透明电极和空穴收集的作用，几乎没有贡献光电流，这使得其光谱响应受到硅或砷化镓带隙的限制，电池效率难以进一步大幅度提高，同时也难以满足柔性硅或砷化镓太阳能电池发展需求。
通过对现有专利文献的检索发现，CN111584719的中国发明专利申请公开了一种碳纳米管/砷化镓异质结宽光谱超薄太阳能电池结构及其构筑方法，包括下电极、N型砷化镓基底、位于砷化镓基底上带窗口的绝缘层，位于绝缘层窗口内与砷化镓直接接触的碳纳米管薄膜，设置在绝缘层表面碳纳米管薄膜上的图形化上电极。该技术方案中没有考虑单壁碳纳米管对太阳光谱中某些波段的低吸收特性，这就使得该波段仍然会透过导致入射光能量损失。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池结构及制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明涉及一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，所述太阳能电池包括由图形化镍锗金电极与介电层阵列构成的背反射层、N型砷化镓层、P型单壁碳纳米管层、减反射层和图形化金电极；所述背反射层和P型单壁碳纳米管层分设在N型砷化镓层的两侧，所述P型单壁碳纳米管层上还设有减反射层和图形化金电极。
本发明还涉及一种上述砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S1、在基底上外延生长N型砷化镓；
S2、在N型砷化镓表面制备由图形化镍锗金电极与介电层阵列构成的背反射层；
S3、将沉积有背反射层的N型砷化镓层从基底表面剥离，在所述N型砷化镓层的剥离面上制备P型单壁碳纳米管薄膜；
S4、在所述P型单壁碳纳米管薄膜上依次沉积图形化金电极和减反射层。
作为本发明的一个实施方案，步骤S1中，所述基底为砷化镓基底或砷化镓/石墨烯基底.
作为本发明的一个实施方案，步骤S1中，外延生长得到的N型砷化镓的厚度为100-300nm。
作为本发明的一个实施方案，步骤S2中，采用光刻技术制备背反射层，所述背反射层由介电层阵列与镍锗金电极形成棋盘式交替分布的图形。
作为本发明的一个实施方案，介电层为TiO2、SiO2或者两者叠层使用；厚度为100-300nm。
作为本发明的一个实施方案，介电层阵列中各介电层为边长300nm-500nm的方形，间距为400-800nm；所述背反射层除介电层阵列外余下的部分为镍锗金电极，所述镍锗金电极厚度为200-400nm。
作为本发明的一个实施方案，步骤S3中，所述剥离为湿化学法剥离。
作为本发明的一个实施方案，步骤S3中，所述P型单壁碳纳米管为纯半导体性单壁碳纳米管。
作为本发明的一个实施方案，步骤S3中，利用旋涂法制备厚度为5-30nm的P型单壁碳纳米管薄膜。
本发明采用超薄p型单壁碳纳米管薄膜与超薄N型砷化镓形成PN结，同时利用两者进行光吸收；实现制备超薄砷化镓碳纳米管异质结太阳电池。与现有技术相比，本发明具有如下有益效果是：
1)本发明中砷化镓/碳纳米管异质结作为光吸收层的厚度可降低十倍以上，充分利用砷化镓和单壁碳纳米管的高效光吸收性能，结合图形化背反射层大幅度提高超薄光吸收层对入射太阳光的光子利用率；
2)本发明的太阳电池结构中，载流子在单壁碳纳米管与超薄N型砷化镓构建的强内建电场作用下实现界面处的超快分离，利用单壁碳纳米管的超高载流子输运能力和砷化镓内的短距离输运，降低载流子复合几率，提高光电转换效率。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的砷化镓/碳纳米管超薄太阳电池的结构示意图；
图2为本发明提供的被反射层图形化结构示意图；
图3为本发明提供的砷化镓/碳纳米管超薄太阳电池的制备流程图；
其中，1为N型砷化镓，2为介电层阵列，3为图形化镍锗金电极，4为图形化金电极，5为减反射层，6为P型单壁碳纳米管。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池及其制备方法，其结构示意图如图1、2所示。该器件包括由图形化镍锗金电极3与介电层阵列2组成的背反射层、N型砷化镓1、P型单壁碳纳米管5、图形化金电极4和减反射层6。其制备流程图如图3所示。具体制备步骤如下：
(1)采用湿法工艺以PMMA转移介质将铜衬底上的石墨烯转移至砷化镓基底表面，然后进行外延生长200nm厚的N型砷化镓表面，采用微纳光刻工艺制备边长尺寸为300nm，厚度为100nm，间距为400nm的TiO2介电层阵列。然后采用电子束蒸发技术在N型砷化镓和TiO2介电层阵列表面沉积一层厚度为200nm的镍锗金作为背反射电极。
(2)采用湿法化学剥离工艺，将沉积有背反射层的超薄N型砷化镓从基底表面剥离，并颠倒方向使其表面(剥离面)朝上。
(3)在超薄N型砷化镓表面采用旋涂法通过控制转速、溶液浓度等形成一层厚度10nm的P型单壁碳纳米管致密薄膜。
(4)采用热蒸发法在P型单壁碳纳米管致密薄膜表面制备图形化的100nm金电极，采用磁控溅射法制备减反射层(减反射薄膜)，即得到超薄太阳电池样品。
实施例2
本实施例提供一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池及其制备方法，其结构示意图如图1所示。该器件包括由图形化镍锗金电极与介电层阵列组成的背反射层、N型砷化镓、P型单壁碳纳米管、图形化金电极和减反射层，其构筑方法如下：
(1)在砷化镓/石墨烯基底外延生长300nm厚的N型砷化镓表面，采用微纳光刻工艺制备边长尺寸为400nm，厚度为150nm，间距为600nm的TiO2介电层阵列。然后采用电子束蒸发技术在TiO2介电层阵列表面沉积一层厚度为200nm的镍锗金作为背反射电极。
(2)采用湿法化学剥离工艺，将沉积有背反射层的超薄N型砷化镓从基底表面剥离，并颠倒方向使其表面(剥离面)朝上。
(3)在超薄N型砷化镓表面采用旋涂法通过控制转速、溶液浓度等形成一层厚度30nm的P型单壁碳纳米管致密薄膜。
(4)采用热蒸发法在P型单壁碳纳米管致密薄膜表面制备图形化的金电极，采用磁控溅射法制备减反射层，即得到超薄太阳电池样品。
实施例3
本实施例提供一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池及其制备方法，其结构示意图如图1所示。该器件包括由图形化镍锗金电极与介电层阵列组成的背反射层、N型砷化镓、P型单壁碳纳米管、图形化金电极和减反射层，其构筑方法如下：
(1)在砷化镓基底外延生长300nm厚的N型砷化镓表面，采用微纳光刻工艺制备边长尺寸为300nm，厚度为200nm，间距为500nm的SiO2介电层阵列。然后采用电子束蒸发技术在SiO2介电层阵列表面沉积一层厚度为300nm的镍锗金作为背反射电极。
(2)采用湿法化学剥离工艺，将沉积有背反射层的超薄N型砷化镓从基底表面剥离，并颠倒方向使其剥离面朝上。
(3)在超薄N型砷化镓表面采用旋涂法通过控制转速、溶液浓度等形成一层厚度5nm的P型单壁碳纳米管致密薄膜。
(4)采用热蒸发法在P型单壁碳纳米管致密薄膜表面制备图形化的金电极，采用磁控溅射法制备减反射层，即得到超薄太阳电池样品。
实施例4
本实施例提供一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池及其制备方法，其结构示意图如图1所示。该器件包括由图形化镍锗金电极与介电层阵列组成的背反射层、N型砷化镓、P型单壁碳纳米管、图形化金电极和减反射层，其构筑方法如下：
(1)在砷化镓基底外延生长300nm厚的N型砷化镓表面，采用微纳光刻工艺制备边长尺寸为500nm，厚度为300nm，间距为800nm的SiO2介电层阵列。然后采用电子束蒸发技术在SiO2介电层阵列表面沉积一层厚度为400nm的镍锗金作为背反射电极。
(2)采用湿法化学剥离工艺，将沉积有背反射层的超薄N型砷化镓从基底表面剥离，并颠倒方向使其剥离面朝上。
(3)在超薄N型砷化镓表面采用旋涂法通过控制转速、溶液浓度等形成一层厚度30nm的P型单壁碳纳米管致密薄膜。
(4)采用热蒸发法在P型单壁碳纳米管致密薄膜表面制备图形化的金电极，采用磁控溅射法制备减反射层，即得到超薄太阳电池样品。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池包括由图形化镍锗金电极与介电层阵列构成的背反射层、N型砷化镓层、P型单壁碳纳米管层、减反射层和图形化金电极；所述背反射层和P型单壁碳纳米管层分设在N型砷化镓层的两侧，所述P型单壁碳纳米管层上还设有减反射层和图形化金电极；
所述砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池是通过包括如下步骤的方法制备而得：
S1、在基底上外延生长N型砷化镓；
S2、在N型砷化镓表面制备由图形化镍锗金电极与介电层阵列构成的背反射层；
S3、将沉积有背反射层的N型砷化镓层从基底表面剥离，在所述N型砷化镓层的剥离面上制备P型单壁碳纳米管薄膜；
S4、在所述P型单壁碳纳米管薄膜上依次沉积图形化金电极和减反射层。
2.如权利要求1所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，步骤S1中，所述基底为砷化镓基底或砷化镓/石墨烯基底。
3.如权利要求1所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，步骤S1中，外延生长得到的N型砷化镓的厚度为100-300nm。
4.如权利要求1所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，步骤S2中，采用光刻技术制备背反射层，所述背反射层由介电层阵列与镍锗金电极形成棋盘式交替分布的图形。
5.如权利要求1或4所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，介电层为TiO2、SiO2或者两者叠层使用；厚度为100-300nm。
6.如权利要求1或4所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，介电层阵列中各介电层为边长300nm-500nm的方形，间距为400-800nm；所述背反射层除介电层阵列外余下的部分为镍锗金电极，所述镍锗金电极厚度为200-400nm。
7.如权利要求1所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，步骤S3中，所述剥离为湿化学法剥离。
8.如权利要求1所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，步骤S3中，所述P型单壁碳纳米管为纯半导体性单壁碳纳米管。
9.如权利要求1所述的砷化镓/碳纳米管异质结超薄太阳能电池，其特征在于，步骤S3中，利用旋涂法制备厚度为5-30nm的P型单壁碳纳米管薄膜。
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