一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池及其製造方法
2023-05-10 22:29:56
專利名稱：一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池及其製造方法
技術領域：
本發明屬於太陽能電池技術領域，特別涉及一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池及其製造方法。
背景技術：
目前，世界經濟的發展還是主要得益於化石能源的廣泛應用。然而，這一經濟的資源載體將在本世紀上半葉幾近枯竭。同時，大量使用化石能源已經帶來了相當嚴重的環境問題，其中最突出的是溫室效應的加劇。全球能源危機與環境問題給各種新型清潔能源發展帶來了前所未有的機會。其中，太陽能發電具有很多不可比擬的優勢。太陽能的能量巨大，取之不盡，用之不竭，分布範圍廣，適合全球大部分地區利用，使用材料安全可靠，無環境汙染，具有很大的開發利用前景。太陽能光伏電池是基於光生伏特效應，直接將光能轉化為電能。目前光伏電池多數是基於單晶矽的太陽能電池。由於集成電路的迅猛發展，矽加工工藝日趨成熟，目前單晶矽太陽能電池的效率已達到>20%，接近其極限效率。但是單晶矽太陽能電池的製備工藝複雜，能耗高，汙染較大，成本也較為昂貴，因而為了實現光伏轉化效率與成本的折中，尋找新的光伏電池材料和簡化製備工藝已成為目前的研究趨勢。在新型光伏材料中，石墨烯表現出了巨大的應用潛力。石墨烯是六角蜂窩狀排列的二維平面晶體，具有優異的電學、光學、熱學和機械性能，同時石墨烯電阻率低(幾十至幾百Ω / 口)，透光率高(97. 7% )，完全符合太陽能電池對前電極的性能要求。尤其是在大面積生產石墨烯已成為可能的情況下，石墨烯有望用來進一步降低太陽能電池的生產成本並提高太陽能電池效率。清華大學朱宏偉研究小組已研究出基於石墨烯/矽肖特基結光伏電池，其轉換效率達到 1.7 % (Graphene-On-Silicon Schottky Junction Solar Cells, Adv. Mater. 2743(2010)) 0雖然轉換效率並不高，但石墨烯/矽肖特基結已顯示出了在光伏電池應用上的優勢。主要表現為製備工藝非常簡單，成本低，並且更加環保。文獻中石墨烯 /矽肖特基結採用平面結構，而平面結構往往不能有效的利用入射光能量，如平面矽在可見光範圍內的反射率高達30%以上，造成了大量能量的損失。針對這一情況，採用非平面結構能夠有效地減小入射光的反射。當矽襯底不是平面而是矽柱陣列時，光線入射到矽柱陣列表面，入射光線在柱壁間進行多次反射，增長了光的傳播路徑，增強了半導體對入射光的吸收，從而有利於提高光伏電池的能量轉換效率。另外，由於石墨烯具有良好的柔韌性，能與整個矽柱(包括側壁)良好接觸，因而增大了有效結面積，產生更多的光生載流子，有利於提高太陽能電池的能量轉換效率。
發明內容
為了克服上述現有技術的缺陷，提高石墨烯/矽肖特基結光伏電池效率，本發明的目的在於提供一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池及其製造方法，石墨烯/矽柱陣列肖特基結的光伏電池只增加一步工藝，利用半導體本身結構特點而不引入其他材料，製備工藝簡單，成本低，不僅有減反作用，還可以增大結面積，可獲得較高的能量轉換效率。為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的—種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池，包括單晶矽襯底1，單晶矽襯底1上面熱氧化生長有SiO2隔離層2，在單晶矽襯底1背面澱積有金屬背電極3，在SiO2隔離層2上開窗口形成有效結區，在結區中製備有矽柱陣列4，在SiO2隔離層2的窗口周圍澱積有金屬前電極5，並將石墨烯薄膜6轉移或旋塗在矽柱陣列4上。一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池及其製造方法，包括以下步驟一、在單晶矽襯底1上熱生長SiO2作為SiO2隔離層2 ；二、溼法刻蝕單晶矽襯底1背面氧化層，並在單晶矽襯底1背面採用濺射或電子束蒸發金屬作為背電極3;三、通過溼法腐蝕正面SiO2隔離層2形成窗口，露出單晶矽襯底1表面，用於定義肖特基結面積和光照區域，在此區域中再通過光刻和幹法刻蝕形成矽柱陣列4 ；四、採用剝離(lift-off)的方法在SiO2隔離層2的窗口周圍濺射或電子束蒸發金屬形成金屬前電極5;五、通過直接轉移或旋塗的方法將石墨烯薄膜6覆蓋到矽柱陣列4上，並與金屬前電極5相接觸，最終形成石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池。所述的單晶矽襯底1為η型，晶向為100或111，電阻率為2_3 Ω · cm。所述的SiO2隔離層2為採用熱氧化方法生長的SiO2,厚度為200-400nm。所述金屬背電極3採用的金屬材料為鈦(Ti)/鈀(Pd)/金(Au)或鈦(Ti)/鈀 (Pd) /銀(Ag)堆疊結構，與單晶矽襯底1形成歐姆接觸。所述的矽柱陣列4是採用反應離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP)形成的圓柱、方柱或不規則柱形，陣列的排布方式是三角陣、方陣或不規則排列。所述金屬前電極5採用的金屬材料為鈦(Ti)/金(Au)堆疊結構，與石墨烯6形成歐姆接觸。所述石墨烯6是通過CVD方法生長而直接轉移的，或是通過化學方法製備的石墨烯分散液通過旋塗得到的。所述的矽柱陣列4採用光刻和幹法刻蝕的方法製備，刻蝕的方法選擇RIE或ICP。同現有平面結構的石墨烯/矽肖特基結光伏電池相比，本發明具有以下幾個優佔.
^ \\\ ·1.矽柱陣列只需要一步光刻和刻蝕工藝，就可以使得入射光反射率大幅度降低；2.增大了石墨烯與矽的接觸面積，有利於太陽能電池效率的提高；綜合上述基於石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池材料及結構特點，相比於單晶矽太陽能電池，其製備工藝簡化，成本降低，且更加綠色環保；相比於平面型的石墨烯/矽肖特基結光伏電池，在性能上具有較大提高，因而在光伏電池的應用中具有更大的應用潛能。本發明的有益效果為所述石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池可以和現有超大規模集成電路工藝兼容，易於大規模生產，具有製備工藝簡單，工藝成本低的優點；參照圖 1，相比較平面矽結構，石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池結構在紫外可見光譜內具有更小的反射係數，具有更大的結面積，從而可獲得更高的能量轉換效率。
圖Ia是平面矽襯底的反射原理示意圖。圖Ib是本發明結構具有減反作用的原理示意圖。圖加是本發明的製備過程示意圖。圖2b是矽柱陣列示意圖。圖2c是矽柱陣列的掃描電子顯微照片(SEM)截面圖。圖3是本發明結構剖面示意圖。圖如是圓形三角陣俯視示意圖。圖4b是圓形三角陣SEM照片。圖如是圓形方陣俯視示意圖。圖4d是圓形方陣SEM照片。圖如是方形三角陣俯視示意圖。圖4f是方形三角陣光學照片。圖4g是方形方陣俯視示意圖。圖4h是方形方陣光學照片。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
詳細介紹本發明的內容。參照圖2(a)，基於石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池，包括單晶矽襯底1，單晶矽襯底1上面熱生長二氧化矽SiA隔離層2，單晶矽襯底1背面澱積金屬背電極3，在SiA 隔離層2上開窗口形成有效結區，在結區中製備有矽柱陣列4，降低入射光反射率。在SW2 隔離層2的窗口周圍澱積有金屬前電極5，將石墨烯6轉移或旋塗到矽柱陣列4上。實施例一本實施例製作石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池時，首先將η型(100)電阻率 2-3 Ω · cm的單晶矽襯底1熱氧化，熱氧化生長300nm厚的SW2作為SW2隔離層2，採用溼法腐蝕的方法去除矽襯底1背面的氧化層，然後在單晶矽襯底1背面濺射金屬電極作為背電極3，背電極3為Ti/Pd/Au堆疊結構，其厚度分別為lOnm，5nm，30nm。溼法刻蝕SiO2 隔離層2，形成窗口，露出矽表面，採用RIE的方法刻蝕矽表面形成矽柱陣列4，刻蝕時間為 60s。矽柱的直徑為2微米，高度為200納米，間距為2微米，最後採用電子束蒸發和剝離 (lift-off)的方法在隔離層窗口周圍製備金屬前電極5，金屬材料為Ti/Au，厚度分別為 IOnm和50nm。將CVD生長的石墨烯直接轉移到矽柱陣列4上，使石墨烯與矽柱接觸，並和金屬前電極5接觸，形成石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池。實施例二本實施例製作石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是採用ICP的方法刻蝕單晶矽襯底1形成矽柱陣列，矽柱的高度為620nm。實施例三本實施例製作石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是採用ICP的方法刻蝕單晶矽襯底1形成矽柱陣列，矽柱的高度為915nm。
實施例四本實施例製作石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是採用旋塗石墨烯分散液的方法在矽柱陣列4上塗覆一層石墨烯6，形成石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池。實施例五本實施例製作石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是採用η型(111)單晶矽襯底。本文中的具體實施方式
僅是本發明的幾個比較典型實施例，但是這樣的描述並不用來以任何方式限定本發明，凡是使用石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池均屬於本發明範疇。圖1(a)所示的平面矽結構具有較大的入射光反射損失，單晶矽襯底在紫外-可見光區域的反射率高達30%以上，而通過對平面矽襯底進行圖形化刻蝕，形成矽柱陣列，則可以使入射光在矽柱表面經過多次反射，增大了對入射光的吸收，減小反射損失，如圖1(b) 所示。此外，這種結構還能增大肖特基結面積，有利於提高太陽能電池效率。圖如-h是矽柱陣列4的形狀及排布示意圖及相應的SEM照片。圖中的矽柱陣列 4是圓柱和方柱兩種形式，陣列的排布方式是三角陣和方陣。
權利要求
1.一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池，其特徵在於，包括單晶矽襯底(1)，單晶矽襯底(1)上面熱氧化生長有SiO2隔離層(2)，在單晶矽襯底(1)背面澱積有金屬背電極 (3)，在SiO2隔離層(2)上開窗口形成有效結區，在結區中製備有矽柱陣列(4)，在SiO2隔離層(2)的窗口周圍澱積有金屬前電極(5)，並將石墨烯薄膜(6)轉移或旋塗在矽柱陣列(4) 上。
2.—種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟一、在單晶矽襯底(1)上熱生長SiO2作為SiO2隔離層(2)；二、溼法刻蝕單晶矽襯底(1)背面氧化層，並在單晶矽襯底(1)背面採用濺射或電子束蒸發金屬作為背電極(3)；三、通過溼法腐蝕正面SiO2隔離層(2)形成窗口，露出單晶矽襯底(1)表面，用於定義肖特基結面積和光照區域，在此區域中再通過光刻和幹法刻蝕形成矽柱陣列(4)；四、採用剝離(lift-off)的方法在SiO2隔離層(2)的窗口周圍濺射或電子束蒸發金屬形成金屬前電極(5)；五、通過直接轉移或旋塗的方法將石墨烯薄膜(6)覆蓋到矽柱陣列(4)上，並與金屬前電極(5)相接觸，最終形成石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池。
3.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述的矽柱陣列(4)是採用反應離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP) 形成的圓柱、方柱或不規則柱形，陣列的排布方式是三角陣、方陣或不規則排列。
4.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述的單晶矽襯底(1)為η型，晶向為100或111，電阻率為2-3Ω · cm。
5.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述的SiO2隔離層(2)為採用熱氧化方法生長的SiO2,厚度為200-400nm。
6.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述石墨烯(6)是通過CVD方法生長而直接轉移的，或是通過化學方法製備的石墨烯分散液通過旋塗得到的。
7.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述所述金屬背電極(3)採用的金屬材料為鈦(Ti)/鈀(Pd)/金(Au)或鈦(Ti)/ 鈀(Pd) /銀(Ag)堆疊結構，與單晶矽襯底1形成歐姆接觸。
8.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述金屬前電極(5)採用的金屬材料為鈦(Ti)/金(Au)堆疊結構，與石墨烯(6) 形成歐姆接觸。
9.根據權利要求2所述的一種石墨烯/矽柱陣列肖特基結光伏電池的製造方法，其特徵在於，所述的矽柱陣列(4)採用光刻和幹法刻蝕的方法製備，刻蝕的方法選擇RIE或ICP。
全文摘要
基於石墨烯/矽柱陣列肖特基光伏電池及其製造方法，在單晶半導體襯底上熱氧化生成氧化矽(SiO2)作為隔離層，腐蝕SiO2隔離層形成窗口並在窗口內採用光刻和幹法刻蝕的方法製備出矽柱陣列，在襯底背面蒸發金屬作為背電極，在隔離層上製備金屬前電極，最後將石墨烯轉移或旋塗到矽柱陣列上並與前電極相連；該太陽能電池結構簡單，易於製備，不僅可以有效減少入射光的反射，而且增大了肖特基結接觸面積，從而達到提高太陽能電池的轉換效率的目的。
文檔編號H01L31/0236GK102254963SQ20111021702
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月29日 優先權日2011年7月29日
發明者任天令, 馮婷婷, 吳德海, 宋睿, 朱宏偉, 李虓, 田禾, 謝丹 申請人:清華大學