CN204424292U - 一种表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池 - Google Patents

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刘玉申
马玉龙
徐竞
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Abstract

本实用新型公开了一种表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，包括背电极，背电极上设置单晶硅片，单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置金属表面等离增强层，表面等离增强层和二氧化硅层上设置石墨烯薄膜层。本实用新型结构简单，成本低廉，金属纳米颗粒的局域表面等离激元可以极大的提升颗粒周围的局域电磁场，从而有效地提高颗粒周围硅基材料的光吸收能力，从而提高太阳能电池的转换效率。

Description

一种表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及新型太阳能电池领域，特别是涉及一种石墨烯硅基太阳能电池，具体的说是一种表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池。
背景技术
太阳能电池是利用半导体材料的光生伏特效应将光能转换为电能的一种器件。按照结构来分可以分为由同质材料构成一个或多个PN结的同质结太阳能电池；由异质材料构成一个或多个PN结的异质结太阳能电池；由金属和半导体接触构成的肖特基结太阳能电池；由电解质中半导体电极构成的光电化学太阳能电池。近年来发展最为成熟的硅基半导体PN结太阳能电池面临高能耗、高成本、高污染等几大问题，相关技术和产业已经出现瓶颈。目前人们全力寻找新材料，设计新结构，开发新工艺，旨在制备出更高效、更环保、低成本的新型光伏器件。
石墨烯是零带系半导体，其能带结构在K空间成对顶的双锥形，费米面在迪拉克点之上，石墨烯为n型，费米面在狄拉克点以下为p型。石墨烯薄膜与n型单晶硅结合可构成石墨烯硅基肖特基结，并进一步组装成太阳能电池，得到1.0％～1.65％的转换效率(Xinming Li,Hongwei Zhu,et al.Adv.Mater.2010,22,2743-2748)。
与传统p-n或p-i-n结构的硅基太阳能电池相比，石墨烯硅基异质结电池结构简单，有效的降低了太阳能电池的成本。但目前该结构电池光电转换效率不高，主要是由于硅材料禁带宽度在1.7ev左右，对太阳辐射光谱的长波段吸收较弱，同时由于硅表面的反射作用进一步降低了光子的吸收。提高石墨烯硅基太阳能电池的转换效率成为目前国内外研究的热点。
实用新型内容
针对上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种结构简单、成本较低的表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，来解决现有结构中光子利用效率不高的问题。
本实用新型的技术解决方案是：
一种表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：包括背电极，背电极上设置单晶硅片，单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置金属表面等离增强层，所述金属表面等离增强层和所述二氧化硅层上设置石墨烯薄膜层。
所述金属表面等离增强层，为厚度5～100nm的Ag，Au或Al薄膜，金属颗粒粒径为5～50nm，分布密度为500～5000000个cm-3。通过电子束刻蚀、激光束刻蚀、纳米球刻蚀、真空蒸发和磁控溅射等方法制备。
所述石墨烯薄膜层为单层或多层石墨烯，厚度为1～50nm。通过直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤或石墨烯有机悬浮液平铺方式制备石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜与器件表面紧密贴合。
所述背电极材质为Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一种。通过真空蒸发和磁控溅射等方法制备。
本实用新型所的有益效果是金属纳米颗粒被复合到石墨烯硅基异质结后，金属纳米颗粒的局域表面等离激元可以极大的提升颗粒周围的局域电磁场，从而有效地提高颗粒周围硅基材料的光吸收能力，它们将入射的光场能量储存在局域表面等离激元模式中，从而提高光伏电池吸收光的效率。所有工艺步骤均是成熟工艺，制备成本低廉。通过该技术方案的技术参数进行筛选，电池转换效率可达到2.2％左右。
附图说明
图1为表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池的结构剖视图；
图2为表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池的IV测试曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。
实施例1
请参见图1，在n型单晶硅片4前表面制备二氧化硅SiO2层3，二氧化硅SiO2层3开有通孔；利用电子束蒸发法在通孔暴露的单晶硅4表面制备厚度为10nm，粒径为25nm左右，分布密度为150000个cm-3的金属Ag表面等离增强层2；n型单晶硅片4后表面制备金属Al背电极5；采用喷涂工艺将石墨烯溶液平铺在二氧化硅层3和由二氧化硅层3通孔暴露的n型单晶硅片4表面，经过干燥后石墨烯薄膜1厚度为15nm与Ag颗粒紧密贴合，石墨烯薄膜1一端引出导线作为电池的正极，背电极5一端引出导线作为电池的负极。
实施例2
在n型单晶硅片4前表面制备二氧化硅SiO2层3，二氧化硅SiO2层3开有通孔；利用磁控溅射法在通孔暴露的单晶硅4表面制备厚度为5nm，粒径为5nm左右，分布密度为500个cm-3的金属Al表面等离增强层2；n型单晶硅片4后表面制备金属Al背电极5；采用喷涂工艺将石墨烯溶液平铺在二氧化硅层3和由二氧化硅层3通孔暴露的n型单晶硅片4表面，经过干燥后石墨烯薄膜1厚度为1nm与Al颗粒紧密贴合，石墨烯薄膜1一端引出导线作为电池的正极，背电极5一端引出导线作为电池的负极。
实施例3
在n型单晶硅片4前表面制备二氧化硅SiO2层3，二氧化硅SiO2层3开有通孔；利用电子束蒸发法在通孔暴露的单晶硅4表面制备厚度为100nm，粒径为50nm左右，分布密度为5000000个cm-3的金属Au表面等离增强层2；n型单晶硅片4后表面制备金属Ag背电极5；采用喷涂工艺将石墨烯溶液平铺在二氧化硅层3和由二氧化硅层3通孔暴露的n型单晶硅片4表面，经过干燥后石墨烯薄膜1厚度为50nm与Au颗粒紧密贴合，石墨烯薄膜1一端引出导线作为电池的正极，背电极5一端引出导线作为电池的负极。
上述实施例为本实用新型的优选实施例，在实施过程中，n型单晶硅片也可采用p型单晶硅片代替，或者是其他半导体材料也或者由其制备成纳米线阵列代替。
图2为实施例1制得的表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池的IV测试曲线图，该电池的开路电压为0.285V，短路电流为7.342mA/cm3，转换效率为2.15％，呈现出良好的光伏效应。

Claims (4)

1.一种表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：包括背电极(5)，背电极(5)上设置单晶硅片(4)，单晶硅片(4)上设置二氧化硅层(3)，所述二氧化硅层(3)是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层(3)通孔暴露的单晶硅片(4)表面设置金属表面等离增强层(2)，所述金属表面等离增强层(2)和二氧化硅层(3)上设置石墨烯薄膜层(1)。
2.根据权利要求1所述的表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述金属表面等离增强层(2)为厚度5～100nm的Ag，Au或Al薄膜，金属颗粒粒径为5～50nm，分布密度为500～5000000个cm-3。
3.根据权利要求1所述的表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述石墨烯薄膜层(1)为单层或多层石墨烯，厚度为1～50nm。
4.根据权利要求1所述的表面等离增强型石墨烯硅基太阳能电池，其特征在于：所述背电极(5)材质为Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一种。
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