CN208111466U - 石墨烯双面太阳能电池 - Google Patents

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顾涵
马玉龙
张静
倪志春
魏青竹
潘启勇
杨希峰
刘玉申
冯金福
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Abstract

本实用新型公开了一种石墨烯双面太阳能电池，包括n型单晶硅，所述n型单晶硅的一面设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面上设置石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的四周区域的石墨烯薄膜层上设置前电极；所述n型单晶硅的另一面设置n+型多晶硅，所述n+型多晶硅表面设置光学减反层，所述光学减反层表面设置背栅线电极。本实用新型在单晶硅前后表面均形成内建电场进行光生载流子分离，实现双面石墨烯太阳能电池，具有结构简单，效率高的特点，适合批量生产。

Description

石墨烯双面太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种石墨烯双面太阳能电池。
背景技术
能源与环境问题一直是影响人类生存和发展的热点问题。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其开发利用受到了最广泛的关注。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，由石墨烯薄膜与单晶硅结合构成的石墨烯硅基肖特基结太阳能电池以其制备成本低廉、工艺环保等优势发展迅速。
石墨烯是一种典型的半金属，功函数约为4.8ev，当石墨烯与功函数低于该值的半导体结合时，即可形成肖特基结，并进一步组装成太阳能电池，得到1.0％～2.0％的转换效率(Xinming Li,Hongwei Zhu,et al.Adv.Mater.2010,22,2743-2748)；Miao等结合硅表面的氧化层钝化和石墨烯的掺杂制备得到了转换效率高达8.6％的太阳能电池(XiaochangMiao,Sefaattin Tongay,et al.Nano Lett.2012,12,2745-2750)。
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。但目前由单个肖特基结构成的石墨烯太阳能电池光电转换效率仍然不高。其中一方面就是因为现有结构仅能依靠正面吸收层产生光生载流子并依靠石墨烯/硅内建电场进行有效分离；而背面的反射光和周围的环境光并没有得到充分利用。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供了一种石墨烯双面太阳能电池，解决现有单面石墨烯硅基太阳能电池光电转换效率不高的问题。
本实用新型技术方案如下：一种石墨烯双面太阳能电池，包括n型单晶硅，所述n型单晶硅的一面设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面设置石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的四周区域的石墨烯薄膜层上设置前电极；所述n型单晶硅的另一面设置n+型多晶硅，所述n+型多晶硅表面设置光学减反层，所述光学减反层表面设置背栅线电极。
优选的，所述n型单晶硅的掺杂浓度为1×1010～1×1014cm-3，所述n+型多晶硅的掺杂浓度为1×1016～1×1019cm-3。
优选的，所述n型单晶硅的厚度为5～50μm，n+型多晶硅的厚度为0.1～5μm。
优选的，所述二氧化硅层的厚度为100～2000nm。
优选的，所述石墨烯薄膜层为若干层石墨烯薄膜叠置而成，石墨烯薄膜层厚度为10～100nm。
优选的，所述光学减反层为若干层氮化硅薄膜叠置而成，光学减反层厚度为0.5～5μm，折射率为1.9～2.8。
本实用新型所提供的技术方案的优点在于：本实用新型中在单晶硅的前表面设置石墨烯/硅肖特基异质结，后表面通过设置多晶硅形成重掺杂多晶硅薄膜/硅异质结，调节后表面内建电场的大小与前表面石墨烯/硅肖特基结进行匹配；通过掺杂类型和掺杂浓度的设置在单晶硅前后表面均形成内建电场进行光生载流子分离，实现双面石墨烯太阳能电池，在利用正面光照的基础上还能对背面的反射光及周围的散射光进行吸收，提高现有石墨烯硅基太阳能电池的转换效率。本实用新型具有结构简单、低成本和效率高的特点，所需工艺步骤均是成熟工艺，适于批量生产。
附图说明
图1为实施例1石墨烯双面太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例2石墨烯双面太阳能电池的结构示意图；
图3为实施例1、3石墨烯双面太阳能电池与单面石墨烯太阳能电池的电流电压曲线测试结果对比图。
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。
请结合图1所示，实施例1的石墨烯双面太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为20μm，掺杂浓度为1×1012cm-3的n型单晶硅1的前表面沉积一层厚度为500nm的二氧化硅层2，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在n型单晶硅1的后表面利用等离子增强化学沉积技术制备一层厚度为2μm，重掺杂浓度为1×1016cm-3的n+型多晶硅薄膜3；再在管式退火炉中进行退火处理，退火峰值温度为800℃，退火时间为300min，环境气氛为N2；然后在n+型多晶硅薄膜3上利用离子增强化学沉积技术制备一层1μm厚，折射率为2.05的氮化硅薄膜作为光学减反层4；在氮化硅薄膜下表面采用溅射工艺制备Ag背栅线电极5，一端引出导线作为光伏电池的负极；在二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的n型单晶硅片1表面上制备厚度为20nm的石墨烯薄膜层6；最后在石墨烯薄膜层6表面位于二氧化硅层2通孔的四周边缘采用丝网印刷制备Ag前电极7，一端引出导线作为光伏电池的正极。经测试电池短路电流密度19.23mA/cm2；开路电压0.33V。
实施例2的石墨烯双面太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为5μm，掺杂浓度为1×1014cm-3的n型单晶硅的前表面沉积一层厚度为100nm的二氧化硅层，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在n型单晶硅的后表面利用等离子增强化学沉积技术制备一层厚度为0.1μm，重掺杂浓度为1×1019cm-3的n+型多晶硅薄膜；再在管式退火炉中进行退火处理，退火峰值温度为900℃，退火时间为450min，环境气氛为Ar；然后在n+型多晶硅薄膜上利用离子增强化学沉积技术制备一层0.5μm厚，折射率为1.92的氮化硅薄膜作为光学减反层；在氮化硅薄膜下表面采用溅射工艺制备Ag背栅线电极，一端引出导线作为光伏电池的负极；在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片表面上制备厚度为10nm的石墨烯薄膜层；最后在石墨烯薄膜层表面位于二氧化硅层2通孔的四周边缘采用丝网印刷制备Ag前电极，一端引出导线作为光伏电池的正极。经测试电池短路电流密度19.44mA/cm2；开路电压0.35V。
请结合图2所示，实施例3的石墨烯双面太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为35μm，掺杂浓度为1×1010cm-3的n型单晶硅的前表面沉积一层厚度为1000nm的二氧化硅层，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在n型单晶硅的后表面利用等离子增强化学沉积技术制备一层厚度为4μm，重掺杂浓度为1×1018cm-3的n+型多晶硅薄膜；再在管式退火炉中进行退火处理，退火峰值温度为1200℃，退火时间为600min，环境气氛为N2；然后在n+型多晶硅薄膜上利用离子增强化学沉积技术制备两层总厚度为5μm，折射率为2.75的氮化硅薄膜作为光学减反层；在氮化硅薄膜下表面采用溅射工艺制备Ag背栅线电极，一端引出导线作为光伏电池的负极；在二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅片表面上制备总厚度为100nm的两层石墨烯薄膜层；最后在石墨烯薄膜层表面位于二氧化硅层2通孔的四周边缘采用丝网印刷制备Ag前电极，一端引出导线作为光伏电池的正极。经测试电池短路电流密度19.76mA/cm2；开路电压0.44V。
实施例4的石墨烯双面太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为50μm，掺杂浓度为1×1014cm-3的n型单晶硅1’的前表面沉积一层厚度为2000nm的二氧化硅层2’，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在n型单晶硅1’的后表面利用等离子增强化学沉积技术制备一层厚度为5μm，重掺杂浓度为1×1016cm-3的n+型多晶硅薄膜3’；再在管式退火炉中进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为540min，环境气氛为Ar；然后在n+型多晶硅薄膜3’上利用离子增强化学沉积技术制备三层总厚度为3μm，折射率为2.15的氮化硅薄膜作为光学减反层4’；在氮化硅薄膜下表面采用溅射工艺制备Ag背栅线电极5’，一端引出导线作为光伏电池的负极；在二氧化硅层2’的表面和由二氧化硅层2’通孔暴露的n型单晶硅片1’表面上制备总厚度为75nm的三层石墨烯薄膜层6’；最后在石墨烯薄膜层6’表面位于二氧化硅层2通孔四周边缘采用丝网印刷制备Ag前电极7’，一端引出导线作为光伏电池的正极。经测试电池短路电流密度19.63mA/cm2；开路电压0.41V。
单面石墨烯太阳能电池的结构，按中国专利CN101771092B公开的技术方案：在硅基底表面沉积一层氧化层，然后利用光刻方法在硅片表面刻蚀出窗口暴露出硅基底表面；将石墨烯薄膜转移至硅片表面，用银浆制备前电极，最后在硅片背面制备背电极，用导线引出正负电极，形成石墨烯硅基电池。经测试电池短路电流密度12.8mA/cm2；开路电压0.36V。
实施例1、实施例3以及单面石墨烯太阳能电池的IV测试曲线如图3所示，可以看出采用本实用新型技术方案，石墨烯双面太阳能电池的效率与单面石墨烯太阳能电池相比光电转换效率均得到大幅提高。

Claims (6)

1.一种石墨烯双面太阳能电池，其特征在于，包括n型单晶硅，所述n型单晶硅的一面设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面设置石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的四周区域的石墨烯薄膜层上设置前电极；所述n型单晶硅的另一面设置n+型多晶硅，所述n+型多晶硅表面设置光学减反层，所述光学减反层表面设置背栅线电极。
2.根据权利要求1所述的石墨烯双面太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅的掺杂浓度为1×1010～1×1014cm-3，所述n+型多晶硅的掺杂浓度为1×1016～1×1019cm-3。
3.根据权利要求1所述的石墨烯双面太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅的厚度为5～50μm，n+型多晶硅的厚度为0.1～5μm。
4.根据权利要求1所述的石墨烯双面太阳能电池，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为100～2000nm。
5.根据权利要求1所述的石墨烯双面太阳能电池，其特征在于，所述石墨烯薄膜层为若干层石墨烯薄膜叠置而成，石墨烯薄膜层厚度为10～100nm。
6.根据权利要求1所述的石墨烯双面太阳能电池，其特征在于，所述光学减反层为若干层氮化硅薄膜叠置而成，光学减反层厚度为0.5～5μm，折射率为1.9～2.8。
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