一種表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及新型太陽能電池領(lǐng)域，特別是涉及一種石墨烯硅基太陽能電池，具體的說是一種表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件。按照結(jié)構(gòu)來分可以分為由同質(zhì)材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的同質(zhì)結(jié)太陽能電池；由異質(zhì)材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)的異質(zhì)結(jié)太陽能電池；由金屬和半導(dǎo)體接觸構(gòu)成的肖特基結(jié)太陽能電池；由電解質(zhì)中半導(dǎo)體電極構(gòu)成的光電化學(xué)太陽能電池。近年來發(fā)展最為成熟的硅基半導(dǎo)體PN結(jié)太陽能電池面臨高能耗、高成本、高污染等幾大問題，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸。目前人們?nèi)ふ倚虏牧?，設(shè)計(jì)新結(jié)構(gòu)，開發(fā)新工藝，旨在制備出更高效、更環(huán)保、低成本的新型光伏器件。
[0003]石墨烯是零帶系半導(dǎo)體，其能帶結(jié)構(gòu)在K空間成對(duì)頂?shù)碾p錐形，費(fèi)米面在迪拉克點(diǎn)之上，石墨烯為η型，費(fèi)米面在狄拉克點(diǎn)以下為P型。石墨烯薄膜與η型單晶硅結(jié)合可構(gòu)成石墨稀娃基肖特基結(jié)，并進(jìn)一步組裝成太陽能電池，得到1.0%?1.65%的轉(zhuǎn)換效率(Xinming Li, Hongwei Zhu,et al.Adv.Mater.2010, 22, 2743-2748)。
[0004]與傳統(tǒng)p-n或p-1-n結(jié)構(gòu)的娃基太陽能電池相比，石墨稀娃基異質(zhì)結(jié)電池結(jié)構(gòu)簡單，有效的降低了太陽能電池的成本。但目前該結(jié)構(gòu)電池光電轉(zhuǎn)換效率不高，主要是由于硅材料禁帶寬度在1.7ev左右，對(duì)太陽輻射光譜的長波段吸收較弱，同時(shí)由于硅表面的反射作用進(jìn)一步降低了光子的吸收。提高石墨烯硅基太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率成為目前國內(nèi)外研宄的熱點(diǎn)。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，來解決現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中光子利用效率不高的問題。
[0006]本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是:
[0007]一種表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，其特征在于:包括背電極，背電極上設(shè)置單晶硅片，單晶硅片上設(shè)置二氧化硅層，所述二氧化硅層是具有通孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，二氧化硅層通孔暴露的單晶硅片表面設(shè)置金屬表面等離增強(qiáng)層，所述金屬表面等離增強(qiáng)層和所述二氧化硅層上設(shè)置石墨烯薄膜層。
[0008]所述金屬表面等離增強(qiáng)層，為厚度5?10nm的Ag，Au或Al薄膜，金屬顆粒粒徑為5?50nm，分布密度為500?5000000個(gè)cm_3。通過電子束刻蝕、激光束刻蝕、納米球刻蝕、真空蒸發(fā)和磁控濺射等方法制備。
[0009]所述石墨烯薄膜層為單層或多層石墨烯，厚度為I?50nm。通過直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾或石墨烯有機(jī)懸浮液平鋪方式制備石墨烯薄膜，干燥后石墨烯薄膜與器件表面緊密貼合。
[0010]所述背電極材質(zhì)為Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一種。通過真空蒸發(fā)和磁控派射等方法制備。
[0011]本實(shí)用新型所的有益效果是金屬納米顆粒被復(fù)合到石墨烯硅基異質(zhì)結(jié)后，金屬納米顆粒的局域表面等離激元可以極大的提升顆粒周圍的局域電磁場，從而有效地提高顆粒周圍硅基材料的光吸收能力，它們將入射的光場能量儲(chǔ)存在局域表面等離激元模式中，從而提高光伏電池吸收光的效率。所有工藝步驟均是成熟工藝，制備成本低廉。通過該技術(shù)方案的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行篩選，電池轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到2.2%左右。
【附圖說明】
[0012]圖1為表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池的結(jié)構(gòu)剖視圖；
[0013]圖2為表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池的IV測試曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。
[0015]實(shí)施例1
[0016]請(qǐng)參見圖1，在η型單晶硅片4前表面制備二氧化硅S1Jl 3，二氧化硅S1 2層3開有通孔；利用電子束蒸發(fā)法在通孔暴露的單晶娃4表面制備厚度為10nm，粒徑為25nm左右，分布密度為150000個(gè)cm_3的金屬Ag表面等離增強(qiáng)層2 ；n型單晶硅片4后表面制備金屬Al背電極5 ;采用噴涂工藝將石墨烯溶液平鋪在二氧化硅層3和由二氧化硅層3通孔暴露的η型單晶娃片4表面，經(jīng)過干燥后石墨稀薄膜I厚度為15nm與Ag顆粒緊密貼合，石墨烯薄膜I 一端引出導(dǎo)線作為電池的正極，背電極5—端引出導(dǎo)線作為電池的負(fù)極。
[0017]實(shí)施例2
[0018]在η型單晶硅片4前表面制備二氧化硅S1Jl 3，二氧化硅S1 2層3開有通孔；利用磁控濺射法在通孔暴露的單晶硅4表面制備厚度為5nm，粒徑為5nm左右，分布密度為500個(gè)cm_3的金屬Al表面等離增強(qiáng)層2 ；n型單晶硅片4后表面制備金屬Al背電極5 ;采用噴涂工藝將石墨烯溶液平鋪在二氧化硅層3和由二氧化硅層3通孔暴露的η型單晶硅片4表面，經(jīng)過干燥后石墨稀薄膜I厚度為Inm與Al顆粒緊密貼合，石墨稀薄膜I 一端引出導(dǎo)線作為電池的正極，背電極5—端引出導(dǎo)線作為電池的負(fù)極。
[0019]實(shí)施例3
[0020]在η型單晶硅片4前表面制備二氧化硅S1Jl 3，二氧化硅S1 2層3開有通孔；利用電子束蒸發(fā)法在通孔暴露的單晶硅4表面制備厚度為lOOnm，粒徑為50nm左右，分布密度為5000000個(gè)cm_3的金屬Au表面等離增強(qiáng)層2 ；n型單晶硅片4后表面制備金屬Ag背電極5 ;采用噴涂工藝將石墨烯溶液平鋪在二氧化硅層3和由二氧化硅層3通孔暴露的η型單晶娃片4表面，經(jīng)過干燥后石墨稀薄膜I厚度為50nm與Au顆粒緊密貼合，石墨稀薄膜I一端引出導(dǎo)線作為電池的正極，背電極5—端引出導(dǎo)線作為電池的負(fù)極。
[0021]上述實(shí)施例為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，在實(shí)施過程中，η型單晶硅片也可采用P型單晶硅片代替，或者是其他半導(dǎo)體材料也或者由其制備成納米線陣列代替。
[0022]圖2為實(shí)施例1制得的表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池的IV測試曲線圖，該電池的開路電壓為0.285V，短路電流為7.342mA/cm3，轉(zhuǎn)換效率為2.15%，呈現(xiàn)出良好的光伏效應(yīng)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，其特征在于:包括背電極(5)，背電極(5)上設(shè)置單晶硅片(4)，單晶硅片(4)上設(shè)置二氧化硅層(3)，所述二氧化硅層(3)是具有通孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述二氧化硅層(3)通孔暴露的單晶硅片(4)表面設(shè)置金屬表面等離增強(qiáng)層(2)，所述金屬表面等離增強(qiáng)層(2)和二氧化硅層(3)上設(shè)置石墨烯薄膜層(I)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，其特征在于:所述金屬表面等離增強(qiáng)層(2)為厚度5?10nm的Ag，Au或Al薄膜，金屬顆粒粒徑為5?50nm，分布密度為500?5000000個(gè)cm_3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，其特征在于:所述石墨烯薄膜層(I)為單層或多層石墨烯，厚度為I?50nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，其特征在于:所述背電極(5)材質(zhì)為Cu、Ag、Al、ZnO和ITO中的一種。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種表面等離增強(qiáng)型石墨烯硅基太陽能電池，包括背電極，背電極上設(shè)置單晶硅片，單晶硅片上設(shè)置二氧化硅層，所述二氧化硅層是具有通孔的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，二氧化硅層通孔暴露的單晶硅片表面設(shè)置金屬表面等離增強(qiáng)層，表面等離增強(qiáng)層和二氧化硅層上設(shè)置石墨烯薄膜層。本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，金屬納米顆粒的局域表面等離激元可以極大的提升顆粒周圍的局域電磁場，從而有效地提高顆粒周圍硅基材料的光吸收能力，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。
【IPC分類】H01L31-072
【公開號(hào)】CN204424292
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520149174
【發(fā)明人】況亞偉, 劉玉申, 馬玉龍, 徐競, 薛春榮, 馮金福
【申請(qǐng)人】常熟理工學(xué)院
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月17日