[發明專利]一種石墨烯雙結太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201410624955.4
• 申請日: 2014-11-07
• 公開（公告）號: CN104332522A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: 況亞偉;劉玉申;馬玉龍;徐競;沈小鵬;馮金福
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院;江蘇俊知技術有限公司
• 主分類號: H01L31/0725
• 分類號: H01L31/0725;H01L31/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張俊范

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池及其制造方法，特別是涉及一種石墨烯雙結太陽能電池及其制備方法，屬于新能源技術領域。

背景技術

能源與環境問題一直是影響人類生存和發展的熱點問題。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，其開發利用受到了最廣泛的關注。至19世紀中期科學家制備出第一塊太陽能電池以來，太陽能電池受到了各國的密切關注。制備成本低廉、環保高效的太陽能電池成為各國研發人員所追求的目標。

太陽能電池是利用半導體材料的光生伏特效應將光能轉換為電能的一種器件。按照結構來分可以分為由同質材料構成一個或多個PN結的同質結太陽能電池；由異質材料構成一個或多個PN結的異質結太陽能電池；由金屬和半導體接觸構成的肖特基結太陽能電池；由電解質中半導體電極構成的光電化學太陽能電池。近年來發展最為成熟的硅基半導體PN結太陽能電池面臨高能耗、高成本、高污染等幾大問題，由石墨烯薄膜與單晶硅結合構成的石墨烯硅基肖特基結太陽能電池以其制備成本低廉、工藝環保等優勢引起了各國學者的廣泛關注。

石墨烯是一種典型的半金屬，功函數約為4.8ev，當石墨烯與功函數低于該值的半導體結合時，即可形成肖特基結，并進一步組裝成太陽能電池，得到1.0％～2.0％的轉換效率(Xinming?Li,Hongwei?Zhu,et?al.Adv.Mater.2010,22,2743-2748)；Fan等將N型單晶硅通過銀輔助刻蝕形成硅納米線陣列后與石墨烯薄膜組裝成肖特基結電池，利用納米線陣列的陷光作用使電池的發光效率提高到2.86％(Guifeng?Fan,Hongwei?Zhu,Jinquan?Wei,Ning?Guo,et?al.ACS?Appl.Mater.Interfaces?2011,3,721-725)；馬錫英發明一種石墨烯/SiPN雙結太陽能電池(CN?103137770?A)，光電轉化效率達到2.26％。

與傳統p-n或p-i-n結構的硅基太陽能電池相比，石墨烯硅基異質結電池結構簡單，有效的降低了太陽能電池的成本。雙結石墨烯太陽能電池在單結石墨烯太陽能電池的基礎上改進了長波波長光子的利用效率。但是，現有直接連接的雙結石墨烯電池由于肖特基結內建電場和PN結內建電場方向相反，降低了電池的開路電壓和短路電流，影響了電池光電轉換效率的提高。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種石墨烯雙結太陽能電池結構，來解決雙結石墨烯太陽能電池肖特基結內建電場和PN結內建電場反向的問題。本發明的另一個目的是提供這種石墨烯雙結太陽能電池的制備方法。

本發明的技術方案是這樣的：一種石墨烯雙結太陽能電池，包括一個由單晶硅表面與石墨烯薄膜構成的肖特基結和一個由低摻雜多晶硅薄膜構成的PN結，所述PN結由N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜構成，肖特基結與PN結之間由高摻雜多晶硅薄膜構成的隧道結連接。

優選的，所述高摻雜多晶硅薄膜摻雜濃度大于或等于10¹⁹/cm³，厚度為50～500nm。

優選的，所述單晶硅片上設置二氧化硅層，所述二氧化硅層是具有通孔的環狀結構，所述二氧化硅層的表面和由二氧化硅層通孔暴露的單晶硅片表面設置石墨烯薄膜，石墨烯薄膜一端引出導線，所述PN結下表面制備導電薄膜一端引出導線。

優選的，所述單晶硅是本征晶體、N型摻雜或P型摻雜，厚度為2～5000微米。

優選的，所述石墨烯薄膜的厚度為1～100納米。

優選的，所述二氧化硅層的厚度為10～2000納米。

優選的，所述導電薄膜材質為Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一種。

優選的，所述N型多晶硅薄膜和P型多晶硅薄膜厚度為2～500微米，摻雜濃度為10¹⁴/cm³～10¹⁶/cm³。

一種石墨烯雙結太陽能電池的制備方法，包括以下步驟：包括以下步驟：a、在單晶硅一側采用等離子化學沉積法依次沉積高摻雜多晶硅薄膜、兩層低摻雜多晶硅薄膜；b、在單晶硅另一側表面制備二氧化硅層；c、在二氧化硅層的表面和由二氧化硅層通孔暴露的單晶硅表面上制備石墨烯薄膜；d、石墨烯薄膜一端引出導線作為電池的正極；e、在兩層低摻雜多晶硅薄膜形成的PN結下表面采用絲網印刷或濺射工藝制備導電薄膜一端引出導線作為電池的負極。

優選的，采用直接轉移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾或石墨烯有機懸浮液平鋪方式制備石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜與單晶硅表面緊密貼合。