CN205069659U - 基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池 - Google Patents

基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池。其包括一层柔性衬底，柔性衬底上设有石墨烯层，石墨烯层上生长有n-型II-VI族半导体纳米线垂直阵列结构，石墨烯层与n-型II-VI族半导体纳米线阵列形成肖特基结；n-型II-VI族半导体纳米线阵列缝隙中设有PMMA(PolymethylMethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)绝缘层；n-型II-VI族半导体纳米线阵列头部裸露在PMMA绝缘层之外，PMMA绝缘层之上设有网状金属铝电极；石墨烯层裸露一侧之上设有金/钛电极。本实用新型采用了n-型II-VI族半导体纳米线阵列与石墨烯构建的肖特基结构，提高了器件对光子的吸收和转换，改善了太阳能电池的转换效率，且实现了柔性太阳能电池的高延展性和高集成度，可用于高效柔性光伏发电设备。

Description

基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池
技术领域：
本实用新型涉及太阳能电池的技术领域，具体来说涉及一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池。
背景技术：
世界常规能源供应短缺危机日益严重，化石能源的大量开发利用已成为造成自然环境污染和人类生存环境恶化的主要原因之一，寻找新兴能源已成为世界热点问题。在各种新能源中，太阳能光伏发电具有无污染、可持续、总量大、分布广、应用形式多样等优点，受到世界各国的高度重视。但是传统的太阳能电池受制于重量，厚度，便携性以及抗弯折程度多项制约，无法真正的走入千家万户。柔性太阳能电池板是太阳能产业的新兴技术产品，具有可弯曲折叠，便于携带等优点，可以应用于太阳能背包、太阳能敞篷、太阳能手电筒、太阳能汽车、太阳能帆船以及集成在窗户或屋顶、外墙或内墙上。柔性器件概念来源于对有机电子学的研究，但有机半导体材料由于本身特性的限制而无法在强调高性能和高稳定性的现代电子系统中广泛应用(A.J.Baca，J.H.Ahn，Y.G.Sun，M.A.Meitl，E.Menard，H.S.Kim，W.M.Choi，D.H.Kim，Y.Huang，J.A.Rogers，Angew.Chem.Int.Ed.，47，5524(2008))。伊利若依大学Rogers教授和Huang教授提出基于传统无机半导体的柔性器件，他们利用现有半导体硅工艺制备无机功能薄膜器件，然后转移至柔性衬底，在释放预拉伸应变的收缩作用下将无机功能器件整体屈曲，从而实现整个器件具备可延展柔性(A.J.Baca，J.H.Ahn，Y.G.Sun，M.A.Meitl，E.Menard，H.S.Kim，W.M.Choi，D.H.Kim，Y.Huang，J.A.Rogers，Angew.Chem.Int.Ed.，47，5524(2008))。但是此类器件延展性较低，而为了获取更大延展性往往会将无机薄膜化整体为局部，并通过导线连接各个功能部分。此举会使薄膜在整个器件中的有效面积减少，进而降低器件集成度。因此，如何处理延展性和器件集成度这一对矛盾体成为当前柔性太阳能电池发展面临的主要问题。
发明内容：
为了克服现有技术的不足，本实用新型提出了基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，旨在实现高延展性和高器件集成度的柔性太阳能电池、提高器件对光子的吸收和转换并改善太阳能电池的转换效率。
为实现上述目的，本实用新型提出的基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，包括一层柔性衬底(1)，所述柔性衬底(1)上设有石墨烯层(2)，所述石墨烯层(2)上生长有n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构，所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结，所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列缝隙中设有PMMA(PolymethylMethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)绝缘层(4)，所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列头部裸露在所述PMMA绝缘层(4)之外，所述PMMA绝缘层(4)之上设有网状金属铝电极(5)，所述石墨烯层(2)裸露一侧之上设有金/钛电极(6)。
作为优选，所述柔性衬底(1)为PET(Polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、PEN(polyethylenenaphthalate，聚萘二甲酸乙二醇酯)或PI(Polyimide，聚酰亚胺)。
作为优选，所述的石墨烯层(2)为单层或数层石墨烯。
作为优选，所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)为n-型ZnSe，ZnS，ZnTe，CdSe，CdS或CdTe纳米线；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的直径为100-500nm，长度为10-20μm；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的掺杂浓度为1017-1019cm-3。
作为优选，所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结。
作为优选，所述PMMA绝缘层(4)的厚度为9.9-19.9μm。
作为优选，所述网状金属铝电极(5)形状为正方形网格状；所述网状金属铝电极(5)厚度为100-200nm，宽度为3-5μm。
作为优选，所述金/钛电极(6)中金层的厚度为100-200nm，钛层的厚度为5-10nm，金层在上，钛层在下。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益结果：
1.本实用新型中，由于n-型II-VI族半导体纳米线与石墨烯极小的接触面积以及石墨烯本身具有的柔性潜质(在弯曲、伸缩、挤压等机械形变下仍可保持结构和性能的稳定性)等原因使得器件具有极好的延展性，此外II-VI族半导体纳米线阵列结构有效的增加了器件密度，因而克服了传统柔性太阳能电池延展性和集成度不能兼得的缺点。
2.本实用新型中，器件结构简单；n-型II-VI族半导体纳米线阵列可以增强器件的陷光能力，提高光子的吸收和转化能力；石墨烯层与n-型II-VI族半导体纳米线阵列形成肖特基结，可以有效增强结区对光生载流子的分离能力。
附图说明：
图1是本实用新型的剖面结构示意图。
图2是本实用新型在弯曲状态下的剖面结构示意图。
具体实施方式：
实施例1：
本实施例的柔性肖特基太阳能电池包含柔性衬底(1)、石墨烯层(2)、n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构、PMMA绝缘层(4)、网状金属铝电极(5)、金/钛电极(6)，其中柔性衬底(1)上设有石墨烯层(2)，石墨烯层(2)上生长有n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构，石墨烯层(2)与n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结；n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列缝隙中设有PMMA绝缘层(4)；n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列头部裸露在PMMA绝缘层(4)之外，PMMA绝缘层(4)之上设有网状金属铝电极(5)；石墨烯层(2)裸露一侧之上设有金/钛电极(6)。所述柔性衬底(1)PI；所述的石墨烯层(2)为多层；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)为n-型CdTe纳米线；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的直径为300nm，长度为20μm；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的掺杂浓度为9.2×1018cm-3；所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结；所述PMMA绝缘层(4)的厚度为19.9μm；所述网状金属铝电极(5)形状为正方形网格状；所述网状金属铝电极(5)厚度为150nm，宽度为4μm；所述金/钛电极(6)中金层厚度为150nm，钛层厚度为7nm。
实施例2：
本实施例的柔性肖特基太阳能电池包含柔性衬底(1)、石墨烯层(2)、n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构、PMMA绝缘层(4)、网状金属铝电极(5)、金/钛电极(6)，其中柔性衬底(1)上设有石墨烯层(2)，石墨烯层(2)上生长有n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构，石墨烯层(2)与n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结；n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列缝隙中设有PMMA绝缘层(4)；n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列头部裸露在PMMA绝缘层(4)之外，PMMA绝缘层(4)之上设有网状金属铝电极(5)；石墨烯层(2)裸露一侧之上设有金/钛电极(6)。所述柔性衬底(1)为PET；所述的石墨烯层(2)为单层；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)为n-型ZnSe纳米线；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的直径为100nm，长度为10μm；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的掺杂浓度为1.7×1018cm-3。所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结。所述PMMA绝缘层(4)的厚度为9.9μm；所述网状金属铝电极(5)形状为正方形网格状；所述网状金属铝电极(5)厚度为200nm，宽度为5μm。所述金/钛电极(6)中金层厚度为200nm，钛层厚度为10nm。
实施例3：
本实施例的柔性肖特基太阳能电池包含柔性衬底(1)、石墨烯层(2)、n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构、PMMA绝缘层(4)、网状金属铝电极(5)、金/钛电极(6)，其中柔性衬底(1)上设有石墨烯层(2)，石墨烯层(2)上生长有n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构，石墨烯层(2)与n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结；n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列缝隙中设有PMMA绝缘层(4)；n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列头部裸露在PMMA绝缘层(4)之外，PMMA绝缘层(4)之上设有网状金属铝电极(5)；石墨烯层(2)裸露一侧之上设有金/钛电极(6)。所述柔性衬底(1)为PEN；所述的石墨烯层(2)为三层石墨烯；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)为n-型CdSe纳米线；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的直径为200nm，长度为15μm；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的掺杂浓度为5.9×1017cm-3。所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结。所述PMMA绝缘层(4)的厚度为14.9μm。所述网状金属铝电极(5)形状为正方形网格状；所述网状金属铝电极(5)厚度为100nm，宽度为3μm；所述金/钛电极(6)中金层厚度为100nm，钛层厚度为5nm。
该实用新型的制作是：首先将石墨烯层(2)转移至带有二氧化硅层的硅衬底上；然后利用化学气相沉积法在石墨烯上生长n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列；接着利用旋涂法在n-型II-VI族半导体纳米线缝隙间填充PMMA绝缘层(4)；再利用光刻技术与电子束蒸镀方法在PMMA绝缘层(4)上制备网状金属铝电极(5)，以及在石墨烯层(2)裸露一侧之上设有金/钛电极(6)；最后利用牺牲层刻蚀转移法将器件整体从带有二氧化硅层的硅衬底上转移至柔性衬底(1)上。

Claims (8)

1.一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：包括一层柔性衬底(1)，所述柔性衬底(1)上设有石墨烯层(2)，所述石墨烯层(2)上生长有n-型II-VI族半导体纳米线(3)垂直阵列结构，所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结，所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列缝隙中设有PMMA绝缘层(4)，所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列头部裸露在所述PMMA绝缘层(4)之外，所述PMMA绝缘层(4)之上设有网状金属铝电极(5)，所述石墨烯层(2)裸露一侧之上设有金/钛电极(6)。
2.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述柔性衬底(1)为PET、PDMS、PEN或PI。
3.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述的石墨烯层(2)为单层或数层石墨烯。
4.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)为n-型ZnSe，ZnS，ZnTe，CdSe，CdS或CdTe纳米线；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的直径为100-500nm，长度为10-20μm；所述的n-型II-VI族半导体纳米线(3)的掺杂浓度为1017-1019cm-3。
5.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述石墨烯层(2)与所述n-型II-VI族半导体纳米线(3)阵列形成肖特基结。
6.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述PMMA绝缘层(4)的厚度为9.9-19.9μm。
7.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述网状金属铝电极(5)形状为正方形网格状；所述网状金属铝电极(5)厚度为100-200nm，宽度为3-5μm。
8.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯和n-型II-VI族半导体纳米线阵列的柔性肖特基太阳能电池，其特征在于：所述金/钛电极(6)中金层的厚度为100-200nm，钛层的厚度为5-10nm，金层在上，钛层在下。
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