專利名稱：一種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米碳材料器件與應(yīng)用領(lǐng)域，特別涉及一種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)
的光伏電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
在太陽(yáng)能利用領(lǐng)域，硅是最具商業(yè)價(jià)值的光伏材料。然而，高能耗、噪音、廢料、污 染是其所面臨的幾大問題。近年來其負(fù)面作用日益凸現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始出現(xiàn)瓶 頸效應(yīng)。目前，人們正在全力尋找可以替代硅的新材料，開發(fā)新技術(shù)，以減少硅的使用率，制 造效率更高、更環(huán)保的光伏電池。 在尋找新材料和新技術(shù)的過程中，納米材料與納米技術(shù)是目前的研究重點(diǎn)之 一。碳納米管、石墨烯等納米材料具有與硅相媲美或更優(yōu)異的性能。碳納米管p-n結(jié) (N. M. Gabor， et al. Science 2009， 325， 1367-1371)、碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)(專利號(hào) 200610169827. 0 ;Y Jia， et al. Adv. Mater. 2008， 20， 4594-4598)和碳納米管/GaAs異質(zhì) 結(jié)(C. W. Liang，et al. Nano Lett. 2008， 8， 1809-1812)都顯示出一定的光伏效應(yīng)。然而，對(duì) 于碳納米管而言，現(xiàn)有制備技術(shù)存在的局限性成為其走向產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)重要障礙，尚無(wú)法 對(duì)碳管的手性進(jìn)行精確控制，無(wú)法合成光伏性能可控的碳納米管宏觀結(jié)構(gòu)。碳納米管作為 太陽(yáng)能電池中薄膜電極材料亦存在缺點(diǎn)，例如需要純化等后處理工藝，由管束形成的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)存在較大的空隙，表面粗糙度大，電導(dǎo)率存在理論上限(L. F. C. Pereira， et al. A卯l. Phys. Lett. 2009,95， 123106)，已無(wú)進(jìn)一步提升的空間。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯/硅肖特
基結(jié)的光伏電池及其制備方法，采用石墨烯與硅構(gòu)成肖特基結(jié)為基礎(chǔ)構(gòu)建光伏電池，充分
利用石墨烯薄膜的二維結(jié)構(gòu)及優(yōu)異的透光性、導(dǎo)電性和光伏特性，本發(fā)明的光伏電池降低
了硅的使用率，且組裝工藝簡(jiǎn)單、成本低，適于規(guī)?；瘧?yīng)用。 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的 —種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池，其特征在于，包括鈦鈀銀TiPdAg背電 極4，鈦鈀銀TiPdAg背電極4上放置有n型單晶硅片n-Si3， n型單晶硅片n-Si 3上放置 有二氧化硅Si02層2，二氧化硅Si02層2中間開有通孔，二氧化硅Si02層2上放置有環(huán)形 的金膜1，金膜1的內(nèi)？L、 Si02層2中間的通孔和n型單晶硅片n-Si 3的上表面形成臺(tái)階 孔，鈦鈀銀TiPdAg背電極4 一端引出導(dǎo)線，在臺(tái)階孔表面平鋪有石墨烯薄膜5，石墨烯薄膜 5—端引出導(dǎo)線。 —種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的制備方法，包括以下步驟
—、先將鈦鈀銀TiPdAg背電極4、n型單晶硅片n-Si 3、環(huán)形的二氧化硅Si02層2 和環(huán)形的金膜1從下往上層疊式放置，金膜1的內(nèi)孔、二氧化硅Si02層2中間的通孔和n型 單晶硅片n-Si 3的上表面形成臺(tái)階孔；
二、采用直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾的方法將石墨烯或石墨烯的有機(jī)懸濁液 平鋪在臺(tái)階孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜5與基底電極上的n-Si緊密結(jié)合；石墨烯薄膜 5 —端引出導(dǎo)線做為光伏電池的正極，鈦鈀銀TiPdAg背電極4 一端引出導(dǎo)線做為光伏電池 的負(fù)極。 同現(xiàn)有異質(zhì)結(jié)光伏電池相比，本發(fā)明具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn) 1.石墨烯具有優(yōu)異的透光性和導(dǎo)電性。單層石墨烯的可見光透射率高達(dá)97. 7%， 導(dǎo)電率為106 1(fS/m，綜合性能優(yōu)于現(xiàn)有材料； 2.同碳納米管的一維結(jié)構(gòu)不同，石墨烯薄膜在二維空間光滑連續(xù)，可實(shí)現(xiàn)同硅的 緊密接觸，覆蓋率為100% ; 3.石墨烯薄膜可由單層、雙層、多層或混合層數(shù)的石墨烯連續(xù)或相互搭接而成，即 使個(gè)別層片存在缺陷，也不會(huì)明顯影響薄膜整體導(dǎo)電性； 4.采用石墨烯取代現(xiàn)有技術(shù)中的上層單晶硅，相比現(xiàn)有的光伏電池，工藝簡(jiǎn)化、成 本降低，石墨烯可以由化學(xué)氣相沉積法、液相剝離法等目前通用的方法制備得到，材料制備 技術(shù)成熟，來源廣泛。 基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的原理如下當(dāng)金屬的功函數(shù)大于n型半導(dǎo) 體的功函數(shù)時(shí)，二者可形成肖特基結(jié)。石墨烯為金屬型，功函數(shù)Oe為4. 8 5. OeV，n型硅 的功函數(shù)On—Si為4. 25eV，因此石墨烯和n型硅可形成肖特基結(jié)。 綜合上述基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的優(yōu)點(diǎn)及結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)，相比于背 景技術(shù)中的硅電池和碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)光伏電池，本發(fā)明的基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的 光伏電池充分利用了石墨烯優(yōu)異的二維薄膜結(jié)構(gòu)、透光性、導(dǎo)電性和光伏特性。光伏電池組 裝工藝簡(jiǎn)單，成本低，適于規(guī)?；瘧?yīng)用。


圖l是基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的結(jié)構(gòu)示意圖，其中a是俯視圖，b是 側(cè)視剖面圖。 圖2是基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作詳細(xì)描述。 參照?qǐng)D1， 一種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池，其特征在于，包括鈦鈀銀 TiPdAg背電極4，鈦鈀銀TiPdAg背電極4上放置有n型單晶硅片n-Si 3， n型單晶硅片n-Si 3上放置有二氧化硅Si02層2，二氧化硅Si02層2中間開有通孔，二氧化硅Si02層2上放 置有環(huán)形的金膜l，金膜1的內(nèi)？L、 Si02層2中間的通孔和n型單晶硅片n-Si 3的上表面 形成臺(tái)階孔，鈦鈀銀TiPdAg背電極4 一端引出導(dǎo)線，在臺(tái)階孔表面平鋪有石墨烯薄膜5，石 墨烯薄膜5—端引出導(dǎo)線。 —種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的制備方法，包括以下步驟
—、先將鈦鈀銀TiPdAg背電極4、n型單晶硅片n-Si 3、環(huán)形的二氧化硅Si02層2 和環(huán)形的金膜1從下往上層疊式放置，金膜1的內(nèi)孔、二氧化硅Si02層2中間的通孔和n型 單晶硅片n-Si 3的上表面形成臺(tái)階孔；
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二、采用直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾的方法將石墨烯或石墨烯的有機(jī)懸濁液 平鋪在臺(tái)階孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜5與基底電極上的n-Si緊密結(jié)合；石墨烯薄膜 5 —端引出導(dǎo)線做為光伏電池的正極，鈦鈀銀TiPdAg背電極4 一端引出導(dǎo)線做為光伏電池 的負(fù)極。 參照?qǐng)D2，圖2是基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，通過 理論計(jì)算可知，同碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)相比，石墨烯/硅肖特基結(jié)具有更高的內(nèi)建電勢(shì) V。(0. 55 0. 75V)和能障Ob(0. 75 0. 95eV)。實(shí)驗(yàn)表明石墨烯與n型半導(dǎo)體硅構(gòu)成了穩(wěn) 定的肖特基結(jié)，理想因子為1.5 1.8，整流比為104 106，內(nèi)阻為9 12Q，反向飽和電 流為0. 01 0. 1 A，皆優(yōu)于碳納米管/硅異質(zhì)結(jié)。
權(quán)利要求
一種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池，其特征在于，包括鈦鈀銀TiPdAg背電極(4)，鈦鈀銀TiPdAg背電極(4)上放置有n型單晶硅片n-Si(3)，n型單晶硅片n-Si(3)上放置有二氧化硅SiO2層(2)，二氧化硅SiO2層(2)中間開有通孔，二氧化硅SiO2層(2)上放置有環(huán)形的金膜(1)，金膜(1)的內(nèi)孔、SiO2層(2)中間的通孔和n型單晶硅片n-Si(3)的上表面形成臺(tái)階孔，鈦鈀銀TiPdAg背電極(4)一端引出導(dǎo)線，在臺(tái)階孔表面平鋪有石墨烯薄膜(5)，石墨烯薄膜(5)一端引出導(dǎo)線。
2. —種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池的制備方法，包括以下步驟一、先將鈦鈀 銀TiPdAg背電極(4)、n型單晶硅片n-Si(3)、環(huán)形的二氧化硅Si(^層(2)和環(huán)形的金膜 (1)從下往上層疊式放置，金膜(1)的內(nèi)孔、二氧化硅Si(^層(2)中間的通孔和n型單晶硅 片n-Si(3)的上表面形成臺(tái)階孔；二、采用直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾的方法將石墨 烯或石墨烯的有機(jī)懸濁液平鋪在臺(tái)階孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜(5)與基底電極上的 n-Si緊密結(jié)合；石墨烯薄膜(5) —端引出導(dǎo)線做為光伏電池的正極，鈦鈀銀TiPdAg背電極 (4) 一端引出導(dǎo)線做為光伏電池的負(fù)極。
全文摘要
一種基于石墨烯/硅肖特基結(jié)的光伏電池及其制備方法，將鈦鈀銀TiPdAg背電極、n型單晶硅片n-Si、環(huán)形的二氧化硅SiO2層和環(huán)形的金膜從下往上層疊式放置，金膜的內(nèi)孔、二氧化硅SiO2層中間的通孔和n型單晶硅片n-Si的上表面形成臺(tái)階孔；采用直接轉(zhuǎn)移、甩膜、噴涂、浸沾、過濾的方法將石墨烯或石墨烯的有機(jī)懸濁液平鋪在臺(tái)階孔表面上，干燥后的石墨烯薄膜與基底電極上的n-Si緊密結(jié)合；石墨烯薄膜一端引出導(dǎo)線做為光伏電池的正極，鈦鈀銀TiPdAg背電極4一端引出導(dǎo)線做為光伏電池的負(fù)極即可，本發(fā)明的光伏電池降低了硅的使用率，且組裝工藝簡(jiǎn)單、成本低，適于規(guī)模化應(yīng)用。
文檔編號(hào)H01L31/042GK101771092SQ200910219530
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者吳德海, 朱宏偉, 李昕明, 李春艷, 李禎, 李虓, 王昆林, 賈怡, 韋進(jìn)全 申請(qǐng)人:清華大學(xué)