一种石墨烯/Si p-n 双结太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯/Sip-n结双结太阳能电池及其制备方法。n型硅片(111)的Si表面经B掺杂，得到p型导电层；p型导电层与衬底n型导电层之间形成Sip-n结；以CH4为反应气体、Ar稀释气体在900～1000℃的条件下，采用化学气相沉积方法，在p型导电层上表面生长得到厚度为10～20nm的石墨烯薄膜层，所述的石墨烯薄膜层与Sip-n结形成肖特基结，与Sip-n结共同构成双结太阳能电池。由于石墨烯与Sip-n结之间的异质结在太阳能电池中具有透明导电、吸收太阳光、并收集光生电子－空穴的重要作用，因此，本发明专利技术提供的太阳能电池的光能转换效率达到了2.26%。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳能电池,特别涉及一种石墨烯/Si /7-/7结双结太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子以六角形元胞紧密堆栈而成的厚度仅为0.35 nm的单层二维(2D)蜂窝状晶体。这种单层碳原子构成的石墨烯已被世界上公认为最薄、最坚硬、传导电子速度最快的材料，石墨烯是一种没有能隙的半导体，载流子在其中的迁移率高达2X 105cm2/v,比硅中电子迁移率高100倍。石墨烯还具有良好的光学性质，可见光透射率高达98.5%,可用于透明导电膜和太阳能电池。关于石墨烯太阳能电池的研究也有报道，但其能量转换效率一般都比较低。如文献(C.Xie, P.Lv, B.Nie, J.S.Jie, X.ff.Zhang,Z.Wang, P.Jiang, Z.Z.Hu, L.B.Luo, Z.F.Zhu, L.Wang, and C.Y.Wu, App1.Phys.Lett.99 133113 (2011))报道了单层石墨烯/硅纳米线阵列型肖特基势垒太阳电池的转化效率为 2.15%;文献(C.Xie, J.Jie, B.Nie, T.Yan, Q.Li, P.Lv, F.Li, M.Wang, C.ffu, L.Wang, L.Luo, Appl.Phys.Lett.100 193103 (2012))报道的石墨烯纳米带一多层硅纳米线结构成的太阳能电池的转换效率为1.47%。石墨烯的制各手段通常可以分为两种类型，化学方法和物理方法。物理方法主要是从石墨晶体或者类似的材料来获得，如机械剥离法、球磨法、加热SiC法等。微机械剥离法成功地从石墨上剥离到单层石墨烯，但这种方法只能得到少部分的石墨烯，并不能大规模生产。化学方法是通过小分子的合成或溶液分离的方法制备，包括电化学法、氧化石墨还原法和化学气相沉积法等。很多制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜，而利用化学气相沉积法制得的石墨烯片具有良好的电子特性，适合应用晶体管、太阳能电池等光电子器件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种光能转换效率高的石墨烯/Si p-n结双结太阳能电池及其制备方法。实现本专利技术目的的技术方案是提供一种石墨烯/Si p-n双结太阳能电池，η型硅片(111)的Si表面经B掺杂，得到P型导电层；？型导电层与衬底η型导电层之间形成SiP-n结；在P型导电层上表面采用化学气相沉积方法得到厚度为10 20 nm的石墨烯薄膜层，所述的石墨烯薄膜层与Si p-n结形成肖特基结,与Si p-n结共同构成双结太阳能电池。本专利技术技术方案所提供的石墨烯/Si p-n的制备方法包括如下步骤: 1、以晶向(111)的/7型硅片为衬底材料，用稀HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物；用氮气吹干后放入石英管，将石英管抽真空至KT1 10_2 Pa，加热去除硅片表面的水汽； 2、将石英管加热到900 1000°C，以Ar为携载气体，通入到分析纯C3H9BO3溶液中，携载C3H9BO3进入石英管对fl-Si (111)片进行B掺杂，掺杂时间为10 30分钟；石英管退火处理后，得到P型导电层；p型导电层与衬底η型导电层之间形成Si p-n结； 3、将石英管温度保持在950 1000°C，抽真空至10—1 10_2Pa，通入甲烷和氩气，控制甲烷流量为5 lOsccm，氩气与甲烷的比例为3:1 5:1 ;反应温度为950 1000°C，反应气压为40 100 Pa，反应时间为5 10分钟；反应完成后，将石英管温度降至室温，在P型导电层的上表面得到厚度为10 20nm的石墨烯薄膜层。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是:由于石墨烯与Si p-n结之间的异质结在太阳能电池中具有透明导电、吸收太阳光、并收集光生电子一空穴的重要作用，从而大大提高了太阳能电池的光伏效应和转换效率。本专利技术提供的太阳能电池在350 mW白光照射下，其开路电压达到2V，短路电流达到3.96mA,光能转换效率达到了 2.26%,并且还具有响应速度快，重复性高的特性，可作为高性能的光探测和光电子器件。附图说明图1是本专利技术实施例提供的石墨烯/Si p-n双结太阳能电池的结构示意图； 图2是本专利技术实施例提供的石墨烯/Si p-n双结太阳能电池的能带结构示意图； 图3是本专利技术实施例提供的石墨烯/Si p-n双结太阳能电池的工作原理图； 图4是本专利技术实施例提供的石墨烯薄膜采用化学气相沉积系统装置的结构示意图； 图5是本专利技术实施例利用化学气相沉积方法制备的石墨烯薄膜的表面形貌图； 图6是本专利技术实施例利用化学气相沉积方法制备的石墨烯薄膜的纳曼光谱图； 图7是本专利技术实施例利用化学气相沉积方法制备的石墨烯薄膜的光透射谱图； 图8是本专利技术实施例提供的石墨烯/Si p-n双结太阳能电池的暗电流一电压特征曲线图； 图9是在350mW白光照射下本专利技术实施例提供的石墨烯/Si p-n双结太阳能电池的电压一电流特征曲线图； 图10是在350mW白光照射下本专利技术实施例提供的石墨烯/Si p-n双结太阳能电池的响应曲线图； 图中，1、A1电极；2、石墨烯薄膜层；3、p型Si导电层；4、n型Si导电层；5、A1电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步的阐述。实施例1 参见附图1，它是本实施例提供的石墨烯/p-n Si双结太阳能电池的结构示意图，其结构依次为Al电极1、石墨烯薄膜层2、P型Si导电层3、η型Si导电层4和Al电极5。对η型硅片(111)的上表面进行B掺杂，得到P型导电层3 ;ρ型导电层与衬底η型导电层4之间形成p-n结。在P型导电层上表面利用化学气相沉积方法生长一到十几个原子层(10 20nm)厚的石墨烯薄膜2,该层石墨烯薄膜与娃pn结形成肖特基结,与Si p-n结共同构成双结，对η-娃片的下表面蒸镀Al电极5,得到石墨烯/p-n Si双结太阳能电池。参见附图2，它为石墨烯/p-n Si双结太阳能电池的能带结构示意图。图2(a)左右两边分别是石墨烯和Si接触前的能带结构。其中，A为真空能级，为石墨烯的功函数，Ffg为石墨烯的费米能级，EC、EV分别是Si的导带、价带能级，X为电子亲和势，/1、瓦为Si的费米能级和本征能级，^5为Si的功函数。石墨烯为零带隙半导体，与硅片接触时相当于肖特基接触。石墨烯功函数Wg=E0-Efg = 4.52 eV,硅片功函数Ws=E0-Efs= x AEc_Efs~\，对于Si，X =4.05 eV.瓦依赖于硅片中的载流子浓度和掺杂类型。Si的带隙Eg为1.12 eV，因此，/7-Si，WspWg.由于石墨烯的功函数大于Si的功函数，即W g〈 W s，二者接触后，如图2(b)所示，Si片表面的空穴将向石墨烯一侧流动，Si片表面留下不可动的负离子(负电中心)，形成空间电荷层。由于P侧的空穴移动到石墨烯一侧，使P-Si片表面形成电子堆积，形成负电势，使导带、价带端向下弯曲。图2(b)中，为P-型Si的导带和价带，Ecn、Fm为η-型Si的导带和价带，gVb为石墨烯一 Si异质结的势鱼高度，qi ο为系统费米能级与P型Si本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯/Si?p?n?双结太阳能电池，其特征在于：n型硅片(111)的Si表面经B掺杂，得到p型导电层；p型导电层与衬底n型导电层之间形成Si?p?n结；在p型导电层上表面采用化学气相沉积方法得到厚度为10～20?nm的石墨烯薄膜层，所述的石墨烯薄膜层与Si?p?n结形成肖特基结，与Si?p?n结共同构成双结太阳能电池。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/Si p-n双结太阳能电池,其特征在于:n型娃片(111)的Si表面经B掺杂，得到P型导电层巾型导电层与衬底η型导电层之间形成Si p-n结；在P型导电层上表面采用化学气相沉积方法得到厚度为10 20 nm的石墨烯薄膜层，所述的石墨烯薄膜层与Si p-n结形成肖特基结,与Si p-n结共同构成双结太阳能电池。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/Sip-n双结太阳能电池，其特征在于，所述的石墨烯/Si p-n的制备方法包括如下步骤: (1)以晶向(111)的型硅片为衬底材料，用稀HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物；用氮气吹干后放入石英管，将石英管抽真空至KT1 10_2...

【专利技术属性】
技术研发人员：马锡英，顾伟霞，沈娇艳，唐运海，
申请(专利权)人：苏州科技学院，
类型：发明
国别省市：