CN208368521U - 具有微腔结构的石墨烯太阳能电池 - Google Patents

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倪志春
魏青竹
潘启勇
杨希峰
刘玉申
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Abstract

本实用新型公开了一种具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，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型单晶硅表面设置第一石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的区域的第一石墨烯薄膜层表面设置氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜表面设置第二石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层表面设置前电极，所述n型单晶硅的另一面设置金属薄膜背电极。本实用新型利用石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔的调控光子吸收效率，实现石墨烯硅基太阳能电池转换效率电池的提高，具有结构简单，效率高的特点，适合批量生产。

Description

具有微腔结构的石墨烯太阳能电池
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种具有微腔结构的石墨烯太阳能电池。
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。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。中国专利CN103840017A公开的石墨烯硅基太阳能电池，在单晶硅片上设置二氧化硅层，二氧化硅层是具有通孔的环状结构，二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置石墨烯薄膜，由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面还设有栅线电极。通过栅线电极的调控作用调节石墨烯硅基肖特基结的势垒大小，降低硅表面的电荷复合效应，提高载流子分离和传输的效率，从而提高电池的光电转换效率。但是因为现有结构对于入射光的吸收率不高，太阳能电池光电转换效率任有待提高。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供了一种具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，解决现有石墨烯硅基太阳能电池因对入射光吸收效率不高导致的光电转换效率不高的问题。
本实用新型技术方案如下：一种具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，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型单晶硅表面设置第一石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的区域的第一石墨烯薄膜层表面设置氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜表面设置第二石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层表面设置前电极，所述n型单晶硅的另一面设置金属薄膜背电极。
优选的，所述n型单晶硅的掺杂浓度为1×1011～1×1015cm-3。
优选的，所述n型单晶硅的厚度为1～2000μm。
优选的，所述二氧化硅层的厚度为100～1000nm。
优选的，所述第一石墨烯薄膜层为若干层石墨烯薄膜叠置而成，第一石墨烯薄膜层厚度为0.5～10nm。
优选的，所述氮化硅薄膜为单层薄膜，氮化硅薄膜厚度为0.05～5μm，折射率为2.0～3.0。
优选的，所述第二石墨烯薄膜层为若干层石墨烯薄膜叠置而成，第二石墨烯薄膜层厚度为1～50nm。
本实用新型所提供的技术方案的优点在于：本实用新型中通过调节氮化硅的工艺和厚度调控石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔的光子吸收效率，与现有仅利用氮化硅作为减反膜通过增加光程提高光子吸收效率的技术相比，该方案能够基于波导振荡耦合的机制实现入射光子在特定光谱区间增强吸收的效果，进而石墨烯硅基太阳能电池转换效率电池的提高。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具有微腔结构的石墨烯太阳能电池的结构示意图；
图2为实施例4具有微腔结构的石墨烯太阳能电池的结构示意图；
图3为各实施例与对比例的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的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为2μm，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300nm的二氧化硅层2，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；将制备好的单层2nm厚的第一石墨烯薄膜层3转移至二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的n型单晶硅1表面；在位于二氧化硅层2通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层3表面采用丝网印刷制备Ag前电极，一端引出导线作为光伏电池的正极；然后在位于二氧化硅层2通孔的区域的第一石墨烯薄膜层3表面利用离子增强化学沉积技术制备单层厚度为0.5μm，折射率为2.2的氮化硅薄膜5，并进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为300min，环境气氛为Ar；再将制备的单层20nm厚的第二石墨烯薄膜层6转移至氮化硅薄膜5表面，构成石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔结构；最后在n型单晶硅1的后表面采用溅射工艺制备铝薄膜作为背电极7，引出导线作为光伏电池的负极。
实施例2的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为20μm，掺杂浓度为1×1011cm-3的n型单晶硅1的前表面沉积一层厚度为100nm的二氧化硅层2，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；将制备好的单层0.5nm厚的第一石墨烯薄膜层3转移至二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的n型单晶硅1表面；在位于二氧化硅层2通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层3表面采用丝网印刷制备Ag前电极4，一端引出导线作为光伏电池的正极；然后在位于二氧化硅层2通孔的区域的第一石墨烯薄膜层3表面利用离子增强化学沉积技术制备单层厚度为0.05μm，折射率为2.0的氮化硅薄膜5，并进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为300min，环境气氛为Ar；再将制备的单层1nm厚的第二石墨烯薄膜层6转移至氮化硅薄膜5表面，构成石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔结构；最后在n型单晶硅1的后表面采用溅射工艺制备铝薄膜作为背电极7，引出导线作为光伏电池的负极。
实施例3的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为1000μm，掺杂浓度为1×1015cm-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；将制备好的单层2nm厚的第一石墨烯薄膜层3转移至二氧化硅层2的表面和由二氧化硅层2通孔暴露的n型单晶硅1表面；在位于二氧化硅层2通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层3表面采用丝网印刷制备Ag前电极4，一端引出导线作为光伏电池的正极；然后在位于二氧化硅层2通孔的区域的第一石墨烯薄膜层3表面利用离子增强化学沉积技术制备单层厚度为3.5μm，折射率为2.8的氮化硅薄膜5，并进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为300min，环境气氛为Ar；再将制备的单层10nm厚的第二石墨烯薄膜层6转移至氮化硅薄膜5表面，构成石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔结构；最后在n型单晶硅1的后表面采用溅射工艺制备铝薄膜作为背电极7，引出导线作为光伏电池的负极。
请结合图2所示，实施例4的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为1μm，掺杂浓度为1×1014cm-3的n型单晶硅10的前表面沉积一层厚度为300nm的二氧化硅层11，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；将制备好的双层共7.5nm厚的第一石墨烯薄膜层12转移至二氧化硅层11的表面和由二氧化硅层11通孔暴露的n型单晶硅10表面；在位于二氧化硅层11通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层12表面采用丝网印刷制备Ag前电极13，一端引出导线作为光伏电池的正极；然后在位于二氧化硅层11通孔的区域的第一石墨烯薄膜层12表面利用离子增强化学沉积技术制备单层厚度为0.2μm，折射率为2.2的氮化硅薄膜14，并进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为300min，环境气氛为Ar；再将制备的双层共30nm厚的第二石墨烯薄膜层15转移至氮化硅薄膜14表面，构成石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔结构；最后在n型单晶硅10的后表面采用溅射工艺制备铝薄膜作为背电极16，引出导线作为光伏电池的负极。
实施例5的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为1200μm，掺杂浓度为1×1015cm-3的n型单晶硅的前表面沉积一层厚度为800nm的二氧化硅层，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；将制备好的三层共10nm厚的第一石墨烯薄膜层转移至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；在位于二氧化硅层通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层表面采用丝网印刷制备Ag前电极，一端引出导线作为光伏电池的正极；然后在位于二氧化硅层通孔的区域的第一石墨烯薄膜层表面利用离子增强化学沉积技术制备单层厚度为5μm，折射率为3.0的氮化硅薄膜，并进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为300min，环境气氛为Ar；再将制备的双层共40nm厚的第二石墨烯薄膜层转移至氮化硅薄膜表面，构成石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔结构；最后在n型单晶硅的后表面采用溅射工艺制备铝薄膜作为背电极，引出导线作为光伏电池的负极。
实施例6的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池由以下方式制得：首先在厚度为2000μm，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1000nm的二氧化硅层，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；将制备好的三层共10nm厚的第一石墨烯薄膜层转移至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；在位于二氧化硅层通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层表面采用丝网印刷制备Ag前电极，一端引出导线作为光伏电池的正极；然后在位于二氧化硅层通孔的区域的第一石墨烯薄膜层表面利用离子增强化学沉积技术制备单层厚度为4μm，折射率为3.0的氮化硅薄膜，并进行退火处理，退火峰值温度为1000℃，退火时间为300min，环境气氛为Ar；再将制备的三层共50nm厚的第二石墨烯薄膜层转移至氮化硅薄膜表面，构成石墨烯/氮化硅/石墨烯微腔结构；最后在n型单晶硅的后表面采用溅射工艺制备铝薄膜作为背电极，引出导线作为光伏电池的负极。
对比例的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。
各实施例以及对比例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，具有微腔结构的石墨烯太阳能电池与单面石墨烯太阳能电池相比光电转换效率得到大幅提高。

Claims (7)

1.一种具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，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型单晶硅表面设置第一石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的区域的第一石墨烯薄膜层表面设置氮化硅薄膜，所述氮化硅薄膜表面设置第二石墨烯薄膜层，在位于所述二氧化硅层通孔的四周区域的第一石墨烯薄膜层表面设置前电极，所述n型单晶硅的另一面设置金属薄膜背电极。
2.根据权利要求1所述的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅的掺杂浓度为1×1011～1×1015cm-3。
3.根据权利要求1所述的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅的厚度为1～2000μm。
4.根据权利要求1所述的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度为100～1000nm。
5.根据权利要求1所述的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述第一石墨烯薄膜层为若干层石墨烯薄膜叠置而成，第一石墨烯薄膜层厚度为0.5～10nm。
6.根据权利要求1所述的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述氮化硅薄膜为单层薄膜，氮化硅薄膜厚度为0.05～5μm，折射率为2.0～3.0。
7.根据权利要求1所述的具有微腔结构的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述第二石墨烯薄膜层为若干层石墨烯薄膜叠置而成，第二石墨烯薄膜层厚度为1～50nm。
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