CN110416336B - 新型纳米结构薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种新型纳米结构薄膜太阳能电池，包括从下至上依次叠加的石英或玻璃衬底、Al电极、磷掺杂非晶硅薄膜、碳化硅薄膜界面层、硼掺杂纳米硅薄膜、石墨烯层以及Au电极。利用谐振腔机制增强p型纳米硅/n型非晶硅异质结中的光吸收，从而提高器件光电性能。本发明所提供的石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池与传统的硅基薄膜太阳能电池相比，生产成本可节约30%。该电池的设计制备工艺简单、材料消耗低，在生产过程中避免了高温烧结处理，大大降低了硅基薄膜太阳能电池的生产能耗，可有效地降低传统硅基薄膜太阳能电池的生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型纳米结构薄膜太阳能电池，尤其是涉及一种基于谐振腔机制的石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池及其制备方法，属于光电技术领域。
背景技术
随着新一代太阳能电池的不断发展，纳米硅结构被认为是一种能够较好地调节禁带宽度实现宽光谱响应的材料，其中，利用纳米硅结构与单晶硅衬底构成的异质结太阳能电池一直是人们广泛关注的研究热点。但是，由于纳米硅有源层的厚度相对于单晶硅衬底而言很薄，其对太阳光的吸收有限，因此绝大部分的光生载流子来自于单晶硅衬底而非纳米硅有源层，纳米硅的作用并不能完全显示出来。另一方面，新一代薄膜太阳电池的发展方向是低成本、高效率和柔性应用，考虑到进一步减小材料成本，便于在柔性衬底上生长。研发纳米硅-非晶硅异质结光伏器件的制备与特性就显得尤为重要。
对于传统的纳米硅-非晶硅异质结太阳能电池而言，有源层（纳米硅薄膜）的厚度比较小，影响了其光吸收性能，从而导致纳米硅-非晶硅异质结太阳能电池光电转换效率比较低下（2-3%）。此外，传统的纳米硅-非晶硅异质结太阳能电池采用了铝，金或者金/镍合金等顶电极，虽然在电极制备工艺上采用了栅型结构，但还是不可避免的影响了入射光的光照范围，不利于其光电性能。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供本发明主要设计出了一款提高光吸收性能、光电转换效率的石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池。
技术方案：一种新型纳米结构薄膜太阳能电池，尤其是一种石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池，其特征在于包括从下至上依次叠加的石英或玻璃衬底、Al电极、磷掺杂非晶硅薄膜、碳化硅薄膜界面层、硼掺杂纳米硅薄膜、石墨烯层以及Au电极；所述石墨烯层和Al电极之间的磷掺杂非晶硅薄膜、硼掺杂纳米硅薄膜构成一个纳米谐振腔，利用谐振腔机制来提高p型纳米硅/n型非晶硅异质结中的光吸收，从而提高器件的光电性能。
本发明结构进一步优选的技术方案为：所述Al电极厚度为20nm~100nm；所述磷掺杂非晶硅薄膜的厚度为80 nm；所述碳化硅薄膜界面层厚度为10~15 nm；所述硼掺杂纳米硅薄膜厚度为40 nm；所述石墨烯层厚度为30 nm；所述Au电极厚度为为20 nm。
本申请还公开了一种石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤：
第一步，在石英基底上通过磁控溅射或者蒸镀工艺制备一层Al电极作为共面电极，Al电极厚度为20 nm~100 nm之间。
第二步，n型非晶硅薄膜制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在共面Al电极上生长一层磷掺杂非晶硅薄膜，所述薄膜厚度为80 nm。
第三步，碳化硅薄膜界面层制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在磷掺杂非晶硅薄膜上生长一层碳化硅薄膜作为界面层，所述界面层厚度为10~15 nm。
第四步，p型纳米硅薄膜制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在碳化硅薄膜界面层上生长一层硼掺杂非晶硅薄膜，所述硼掺杂非晶硅薄膜厚度为40 nm；通过KrF准分子脉冲激光晶化技术获得等厚的硼掺杂纳米硅薄膜。
第五步，石墨烯的制备及转移工艺
通过转移方式将石墨烯层铺盖至硼掺杂纳米硅薄膜层上，石墨烯层厚度为30 nm。
第六步，在石墨烯层上蒸镀层金电极，金电极厚度为20 nm。
作为优选，在第二步中，在等离子体增强气相沉积工艺制备生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在30W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和磷烷PH3混合气体，气体流量比值SiH4 : PH3=5 sccm : 3 sccm，沉积时间为25分钟，生长后获得厚度约为80 nm的n型非晶硅薄膜。
作为优选，在第三步中，在等离子体增强气相沉积工艺制备生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在20W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和甲烷CH4混合气体，气体流量比值SiH4 : CH4=5 sccm : 1 sccm，沉积时间为5分钟，生长后获得厚度约为15 nm的富硅碳化硅薄膜。
作为优选，在第四步中，在等离子体增强气相沉积工艺制备生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在30W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和硼烷B2H6混合气体，气体流量比值SiH4 : B2H6= 5 sccm : 5 sccm，沉积时间为15分钟，生长后获得厚度约为40 nm的硼掺杂非晶硅薄膜。
作为优选，在第四步中，采用KrF准分子脉冲激光晶化技术获得硅纳米颗粒为10~15 nm的硼掺杂纳米硅薄膜，KrF准分子脉冲激光器选择波长为248 nm，脉冲宽度选择为30ns，激光脉冲能量密度选择为180 mJ/cm2。
作为优选，在第五步中，首先在铜衬底上通过化学气相沉积CVD方法制备，在生长过程中，背景真空度为3 Torr，生长温度控制在1000 °C，通入甲烷和氢气混合气体，气体流量比值CH4 : H2=20 sccm : 10 sccm；然后在制备好的石墨烯上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，经过10小时的过硫酸铵刻蚀后除去铜衬底，将PMMA/石墨烯转移至p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构上，经过180 °C热处理2小时后除去PMMA，异丙醇清洗后在400 °C烧结1小时进行表面吸附处理，最终将石墨烯层转移至硼掺杂纳米硅薄膜上，形成石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构。
有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池与传统的硅基薄膜太阳能电池（一般有源层约200 nm）相比，生产成本（硅材料成本）可节约30%。该电池的设计制备工艺简单、材料消耗低，在生产过程中避免了高温烧结处理，大大降低了硅基薄膜太阳能电池的生产能耗，可有效地降低传统硅基薄膜太阳能电池的生产成本。通过设计硼掺杂纳米硅薄膜层和磷掺杂非晶硅薄膜层的厚度，在Al电极层和石墨烯层之间形成纳米谐振腔机制，从而增强p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构中的光吸收，提高电池的光电转换效率至4.7%。
附图说明
图1为本发明实施例的立体结构示意图；
图2为图1的侧剖视图。
图3为图1的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本实施例提供一种石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池，如图1-3所示，包括从下至上依次叠加的石英或玻璃衬底1、Al电极2、磷掺杂非晶硅薄膜3、碳化硅薄膜界面层4、硼掺杂纳米硅薄膜5、石墨烯层6以及Au电极7；所述石墨烯层和Al电极之间的磷掺杂非晶硅薄膜、硼掺杂纳米硅薄膜构成一个纳米谐振腔。纳米谐振腔通过测定石墨烯、磷掺杂非晶硅、硼掺杂纳米硅以及铝的折射率和反射率，计算出p型纳米硅/n型非晶硅异质结即纳米腔的厚度，使得可见光在纳米腔内满足谐振条件，增强可见光在异质结即纳米腔内得吸收。
本实施例结构优选的技术方案为：所述Al电极厚度为20nm~100nm；所述磷掺杂非晶硅薄膜的厚度为80 nm；所述碳化硅薄膜界面层厚度为10~15 nm；所述硼掺杂纳米硅薄膜厚度为40 nm；所述石墨烯层厚度为30 nm；所述Au电极厚度为20nm。
本实施例还公开了上述石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构的平面薄膜太阳能电池的制备方法，主要包括以下几个步骤：
第一步，在石英基底上通过磁控溅射或者蒸镀工艺制备一层Al电极作为共面电极；
第二步，n型非晶硅薄膜制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在共面Al电极上生长一层磷掺杂非晶硅薄膜，在生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在30W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和磷烷PH3混合气体，气体流量比值SiH4 : PH3=5 sccm : 3 sccm，沉积时间为25分钟，生长后获得厚度约为80 nm的n型非晶硅薄膜；
第三步，碳化硅薄膜界面层制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在磷掺杂非晶硅薄膜上生长一层碳化硅薄膜作为界面层，在生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在20W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和甲烷CH4混合气体，气体流量比值SiH4 : CH4=5 sccm : 1 sccm，沉积时间为5分钟，生长后获得厚度为10~15 nm 的富硅碳化硅薄膜；
第四步，p型纳米硅薄膜制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在碳化硅薄膜界面层上生长一层硼掺杂非晶硅薄膜，在生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在30W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和硼烷B2H6混合气体，气体流量比值SiH4 : B2H6=5 sccm : 5 sccm，沉积时间为15分钟，生长后获得厚度约为40 nm的硼掺杂非晶硅薄膜。再通过KrF准分子脉冲激光晶化技术，KrF准分子脉冲激光器选择波长为248 nm，脉冲宽度选择为30 ns，激光脉冲能量密度选择为180 mJ/cm2，最终获得硅纳米颗粒为10~15 nm的p型纳米硅薄膜。
第五步，石墨烯的制备及转移工艺
通过转移方式将石墨烯层铺盖至p型纳米硅薄膜层上，石墨烯层厚度为30 nm；在铜衬底上通过化学气相沉积CVD方法制备，在生长过程中，背景真空度为3 Torr，生长温度控制在1000 °C，通入甲烷CH4和氢气H2混合气体，气体流量比值CH4 : H2=20 sccm : 10sccm。接下来，在制备好的石墨烯上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，经过10小时的过硫酸铵刻蚀后除去铜衬底，将PMMA/石墨烯转移至p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构上，经过180 °C热处理2小时后除去PMMA，异丙醇清洗后在400 °C烧结1小时进行表面吸附处理，最终将石墨烯层转移至p型纳米硅薄膜上。最终形成石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构。
第六步，在石墨烯层上蒸镀层金电极。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种平面薄膜太阳能电池，其特征在于包括从下至上依次叠加的石英或玻璃衬底、Al电极、磷掺杂非晶硅薄膜、硼掺杂纳米硅薄膜、石墨烯层以及Au电极；所述石墨烯层和Al电极之间的磷掺杂非晶硅薄膜、硼掺杂纳米硅薄膜构成一个纳米谐振腔；沿所述磷掺杂非晶硅薄膜的上部边缘周向设有一层碳化硅薄膜界面层，所述硼掺杂纳米硅薄膜置于所述磷掺杂非晶硅薄膜上，且位于所述碳化硅薄膜界面层内部；所述Al电极厚度为20 nm~100 nm；所述磷掺杂非晶硅薄膜的厚度为80 nm；所述碳化硅薄膜界面层厚度为10~15 nm；所述硼掺杂纳米硅薄膜厚度为40 nm；所述石墨烯层厚度为30 nm；所述Au电极厚度为20 nm。
2.根据权利要求1所述的平面薄膜太阳能电池，其特征在于，其制备方法包括以下几个步骤：
第一步，在石英基底上通过磁控溅射或者蒸镀工艺制备一层Al电极作为共面电极；
第二步，n型非晶硅薄膜制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺在共面Al电极上生长一层磷掺杂非晶硅薄膜，所述磷掺杂非晶硅薄膜厚度为80 nm；
第三步，碳化硅薄膜界面层制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺，沿磷掺杂非晶硅薄膜上表面边缘生长一层碳化硅薄膜作为界面层，所述界面层厚度为10~15 nm；
第四步，p型纳米硅薄膜制备工艺
通过等离子体增强气相沉积工艺，在磷掺杂非晶硅薄膜上且位于碳化硅薄膜界面层内部生长一层硼掺杂非晶硅薄膜，所述硼掺杂非晶硅薄膜厚度为40 nm；通过KrF准分子脉冲激光晶化技术获得等厚的硼掺杂纳米硅薄膜；
第五步，石墨烯的制备及转移工艺
通过转移方式将石墨烯层铺盖至硼掺杂纳米硅薄膜层上，石墨烯层厚度为30 nm；
第六步，在石墨烯层上蒸镀金电极。
3.根据权利要求2所述的平面薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在第二步中，在等离子体增强气相沉积工艺制备生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在30W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和磷烷PH3混合气体，气体流量比值SiH4 : PH3=5 sccm : 3 sccm，沉积时间为25分钟，生长后获得厚度为80 nm的n型非晶硅薄膜。
4.根据权利要求2所述的平面薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在第三步中，在等离子体增强气相沉积工艺制备生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在20W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和甲烷CH4混合气体，气体流量比值SiH4 : CH4=5 sccm : 1 sccm，沉积时间为5分钟，生长后获得厚度15 nm的富硅碳化硅薄膜。
5.根据权利要求2所述的平面薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在第四步中，在等离子体增强气相沉积工艺制备生长过程中，射频源的频率为13.56 MHz，射频功率和生长衬底温度分别控制在30W和250 °C，生长时真空室内的背景真空度在10 mTorr以下，通入硅烷SiH4和硼烷B2H6混合气体，气体流量比值SiH4 : B2H6 = 5 sccm : 5 sccm，沉积时间为15分钟，生长后获得厚度为40 nm的硼掺杂非晶硅薄膜。
6.根据权利要求2所述的平面薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在第四步中，对40 nm厚度的硼掺杂非晶硅薄膜采用KrF准分子脉冲激光晶化技术，从而获得硅纳米颗粒为10~15 nm的硼掺杂纳米硅薄膜，KrF准分子脉冲激光器选择波长为248 nm，脉冲宽度选择为30 ns，激光脉冲能量密度选择为180 mJ/cm2。
7.根据权利要求2所述的平面薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：在第五步中，首先在铜衬底上通过化学气相沉积CVD方法制备，在生长过程中，背景真空度为3 Torr，生长温度控制在1000 °C，通入甲烷和氢气混合气体，气体流量比值CH4 : H2=20 sccm : 10sccm；然后在制备好的石墨烯上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，经过10小时的过硫酸铵刻蚀后除去铜衬底，将PMMA/石墨烯转移至p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构上，经过180 °C热处理2小时后除去PMMA，异丙醇清洗后在400 °C烧结1小时进行表面吸附处理，最终将石墨烯层转移至硼掺杂纳米硅薄膜上，形成石墨烯/p型纳米硅/n型非晶硅异质结结构。
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