[發(fā)明專利]砷化鎵/碳納米管異質(zhì)結(jié)超薄太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及其制備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011218194.4
• 申請(qǐng)日: 2020-11-04
• 公開（公告）號(hào): CN112331774B
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蘇言杰;施祥蕾;周大勇;孫利杰;霍婷婷
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L51/42
• 分類號(hào): H01L51/42;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發(fā)明公開了一種砷化鎵/碳納米管異質(zhì)結(jié)超薄太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及其制備，其結(jié)構(gòu)為由背反射層、N型砷化鎵、P型單壁碳納米管，圖形化金電極、減反射層等組成。電池由以下步驟制備：(1)在超薄外延生長(zhǎng)N型砷化鎵表面利用光刻技術(shù)制備由圖形化鎳鍺金電極與介電層陣列組成的背反射層；(2)采用剝離工藝將沉積有背反射層的超薄N型砷化鎵從基底表面剝離，并將其朝上放置；(3)旋涂制備P型單壁碳納米管薄膜，并依次沉積圖形化金電極和減反射層。本發(fā)明中砷化鎵與單壁碳納米管同時(shí)貢獻(xiàn)光電流，利用兩者之間超薄耗盡層縮短光生載流子的輸運(yùn)距離。同時(shí)，本發(fā)明通過圖形化背電極和介電材料陣列來增加光子吸收長(zhǎng)度，提高光電轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種砷化鎵/碳納米管異質(zhì)結(jié)超薄太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制備，尤其是涉及一種利用超薄N型砷化鎵與P型單壁碳納米管構(gòu)建超薄太陽(yáng)電池及其制備方法。

背景技術(shù)

以砷化鎵和硅為代表的傳統(tǒng)高效太陽(yáng)電池制備的核心在于制備PN結(jié)構(gòu)，這需要通常需要復(fù)雜的生長(zhǎng)過程和摻雜工藝，這對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備、工藝條件等提出了較為嚴(yán)苛的要求，嚴(yán)重限制了以砷化鎵基為主的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料太陽(yáng)電池的研發(fā)、生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用。研究表明，當(dāng)碳納米管與N型砷化鎵直接結(jié)合后可以形成具有原子級(jí)界面的范德華異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，光照條件下展示出顯著的光伏效應(yīng)，也可以被用于制備新型砷化鎵太陽(yáng)電池。這種新型異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)便、成本低廉、不受晶格匹配限制等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且碳納米管具有超高載流子遷移率、高光吸收系數(shù)和較好的機(jī)械性能，在近紅外波段的光吸收系數(shù)可比傳統(tǒng)窄帶隙半導(dǎo)體高1-2個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，碳納米管與N型砷化鎵有望構(gòu)建比碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)更高光電轉(zhuǎn)換效率的新型太陽(yáng)電池。

但是，目前已報(bào)道的無(wú)論碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池還是碳納米管/砷化鎵異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)電池，為了重復(fù)吸收太陽(yáng)光提高光電轉(zhuǎn)換效率，硅或砷化鎵需要有一定厚度，才能完全吸收入射光(硅和砷化鎵厚度降低將導(dǎo)致無(wú)法完全吸收太陽(yáng)光，進(jìn)而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降)，因此，P型碳納米管僅僅作為透明電極和空穴收集的作用，幾乎沒有貢獻(xiàn)光電流，這使得其光譜響應(yīng)受到硅或砷化鎵帶隙的限制，電池效率難以進(jìn)一步大幅度提高，同時(shí)也難以滿足柔性硅或砷化鎵太陽(yáng)能電池發(fā)展需求。

通過對(duì)現(xiàn)有專利文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，CN111584719的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種碳納米管/砷化鎵異質(zhì)結(jié)寬光譜超薄太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及其構(gòu)筑方法，包括下電極、N型砷化鎵基底、位于砷化鎵基底上帶窗口的絕緣層，位于絕緣層窗口內(nèi)與砷化鎵直接接觸的碳納米管薄膜，設(shè)置在絕緣層表面碳納米管薄膜上的圖形化上電極。該技術(shù)方案中沒有考慮單壁碳納米管對(duì)太陽(yáng)光譜中某些波段的低吸收特性，這就使得該波段仍然會(huì)透過導(dǎo)致入射光能量損失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種砷化鎵/碳納米管異質(zhì)結(jié)超薄太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)及制備方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明涉及一種砷化鎵/碳納米管異質(zhì)結(jié)超薄太陽(yáng)能電池，所述太陽(yáng)能電池包括由圖形化鎳鍺金電極與介電層陣列構(gòu)成的背反射層、N型砷化鎵層、P型單壁碳納米管層、減反射層和圖形化金電極；所述背反射層和P型單壁碳納米管層分設(shè)在N型砷化鎵層的兩側(cè)，所述P型單壁碳納米管層上還設(shè)有減反射層和圖形化金電極。

本發(fā)明還涉及一種上述砷化鎵/碳納米管異質(zhì)結(jié)超薄太陽(yáng)能電池的制備方法，所述方法包括如下步驟：

S1、在基底上外延生長(zhǎng)N型砷化鎵；

S2、在N型砷化鎵表面制備由圖形化鎳鍺金電極與介電層陣列構(gòu)成的背反射層；

S3、將沉積有背反射層的N型砷化鎵層從基底表面剝離，在所述N型砷化鎵層的剝離面上制備P型單壁碳納米管薄膜；

S4、在所述P型單壁碳納米管薄膜上依次沉積圖形化金電極和減反射層。

作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，步驟S1中，所述基底為砷化鎵基底或砷化鎵/石墨烯基底.