[發(fā)明專利]一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110414526.0
• 申請日: 2011-12-13
• 公開（公告）號: CN102437226A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋進(jìn)全;王紅光;白曦;賈怡;朱宏偉;王昆林;吳德海
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: H01L31/076
• 分類號: H01L31/076;H01L31/20
• 代理公司: 北京紀(jì)凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11245
• 代理人: 關(guān)暢

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，人們開始發(fā)現(xiàn)可再生能源的重要性，可再生能源成為了大家越來越關(guān)注的問題。太陽能作為其中一種可再生的清潔能源，在各個(gè)領(lǐng)域得到了相關(guān)的應(yīng)用。其中，太陽能電池的應(yīng)用尤為廣泛，當(dāng)前市場上的太陽能電池主要以硅基為主。硅太陽能電池主要分為單晶硅電池，多晶硅電池和非晶(微晶)硅薄膜電池三種，其中，硅薄膜電池具有制作材料消耗少，面積大，制作能耗低，成本低，近年來得到了迅速的發(fā)展。目前大面積大量生產(chǎn)的非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5～8％，其單節(jié)硅薄膜電池的開路電壓為0.8V左右。

碳納米管(Carbon?nanotube，CNT)是由一層或多層石墨烯卷曲而成、直徑為納米量級的管狀全碳分子。碳納米管是迄今合成的最黑材料，表明了碳納米管吸收太陽光的能力可比現(xiàn)有的所有材料都高。碳納米管可將吸收的光能轉(zhuǎn)變成電能，在碳納米管內(nèi)部產(chǎn)生光生電子-空穴對。Stewart?DA等人的理論計(jì)算表明，碳納米管光電轉(zhuǎn)換的量子效率可達(dá)18％(Stewart?DA，et?al.，Phys.Rev.Lett.，93：107401，2004；Nano?Lett.，5：219，2005)。碳納米管的光電響應(yīng)的光譜范圍很寬，可以覆蓋從紫外光到紅外的全光譜范圍。韋進(jìn)全等人研究發(fā)現(xiàn)(Wei?et?al.，Small，2：988，2006)，碳納米管宏觀體具有很強(qiáng)的光生電流和光電導(dǎo)行為，如直徑為0.39mm的碳納米管宏觀體，其光致電流可達(dá)mA量級，并且光致電流的響應(yīng)區(qū)間涵蓋了可見光和紅外光區(qū)。由此表明，碳納米管在入射光的輻照下可以激發(fā)電子躍遷，引起電子-空穴對的分離和遷移，產(chǎn)生光生載流子，從而形成光電流。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射在雙壁和多壁碳納米管連接處或者碳納米管與金屬結(jié)時(shí)，碳納米管的光致電流明顯增強(qiáng)(Sun?JL，et?al.，Appl.Phys.Lett.，88：131107，2006)。由此表明，如果構(gòu)建出適當(dāng)?shù)奶技{米管異質(zhì)結(jié)，便有可能大幅度提高光電流，構(gòu)成高效的太陽電池。

研究人員已經(jīng)開展了碳納米管在無機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽能電池、有機(jī)太陽能電池及染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作。韋進(jìn)全等人則利用p型碳納米管與n型硅，構(gòu)建了碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池。本課題組將碳納米管薄膜與n型單晶硅結(jié)合，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率在5～7％(Jia?Y?et?al.，Advanced?Materials，2008，20，4594-4598)；而在異質(zhì)結(jié)界面上滴加稀硝酸或者稀硫酸，可以將碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高至13.8％(Jia?Y，et?al.，Nano?Letters，2011，11)。該碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)中，太陽光從碳納米管一側(cè)入射到異質(zhì)結(jié)表面；碳納米管薄膜均既作為異質(zhì)結(jié)的結(jié)材料，又充當(dāng)了透明導(dǎo)電的上電極。這些研究成果均已申請專利或者已獲得發(fā)明專利權(quán)授權(quán)(專利號：ZL200610169827.0)。研究人員也在嘗試用不同的方法對碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池進(jìn)行處理和改進(jìn)，以進(jìn)一步提高電池效率。

為了降低太陽能電池的成本，研究人員將碳納米管與硅薄膜相結(jié)合，以構(gòu)成碳納米管-硅薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽能電池。Gobbo?SD等人(Gobbo?SD，et?al.，Applied?Physics?Letters?2011，98，183113)將單壁碳納米管分散到溶液中，然后與非晶薄膜結(jié)合，構(gòu)成了異質(zhì)結(jié)太陽能電池，但其性能很低，開路電壓為0.2～0.5V，轉(zhuǎn)換效率＜0.1％，無法實(shí)際應(yīng)用。該電池為單結(jié)的異質(zhì)結(jié)電池，且碳納米管均位于硅薄膜的上表面，太陽光先穿透碳納米管薄膜，然后才照射在硅薄膜上，為了使太陽光盡可能多地照射在異質(zhì)結(jié)上，碳納米管薄膜不能太厚。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法。旨在利用碳納米管優(yōu)異的光學(xué)電學(xué)性能與硅薄膜電池相結(jié)合，以提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)降低太陽能電池的制作成本。

本發(fā)明所提供的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其包括依序?qū)盈B的：透明襯底(5)、透明導(dǎo)電薄膜(4)、硅薄膜層(3)、碳納米管薄膜(2)和背電極(1)；其中，所述硅薄膜層由至少兩層硅薄膜組成，其中的硅薄膜為非晶硅或微晶硅。

所述碳納米管薄膜連續(xù)地覆蓋在硅薄膜層上方，用于吸收穿透硅薄膜的太陽光。且與所述硅薄膜層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)電池，同時(shí)與多層硅薄膜結(jié)構(gòu)成疊層太陽能電池。