全文摘要
本实用新型公开了一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，包括背电极，背电极上设置n型单晶硅，n型单晶硅的表面设置二氧化硅层，二氧化硅层是具有通孔的环状结构，二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面设置石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层设置前电极，n型单晶硅的表面设有若干阵列布置的非均匀盲孔，非均匀盲孔包括连续设置的第一孔段和第二孔段，第一孔段直径大于第二孔段直径。本实用新型通过设置的非均匀盲孔阵列可以合理调节光子的吸收率，显著提高长波波长光子的利用效率进而提高光电转换效率。具有结构简单，效率高的特点，适合批量生产。
主设计要求
1.一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，包括背电极，背电极上设置n型单晶硅，所述n型单晶硅的表面设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面设置石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层设置前电极，其特征在于，所述n型单晶硅的表面设有若干阵列布置的垂直于所述n型单晶硅的表面的非均匀盲孔，所述非均匀盲孔包括由所述n型单晶硅的表面向下连续设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段直径大于第二孔段直径。
设计方案
1.一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，包括背电极，背电极上设置n型单晶硅，所述n型单晶硅的表面设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面设置石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层设置前电极，其特征在于，所述n型单晶硅的表面设有若干阵列布置的垂直于所述n型单晶硅的表面的非均匀盲孔，所述非均匀盲孔包括由所述n型单晶硅的表面向下连续设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段直径大于第二孔段直径。
2.根据权利要求1所述的基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述非均匀盲孔深度为2～20μm，直径为200～2000μm，相邻的非均匀盲孔间距为500～5000nm。
3.根据权利要求1所述的基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述第一孔段和第二孔段的深度比值为0.2～5，第一孔段和第二孔段的直径比值为1.5～5.5。
4.根据权利要求1所述的基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅的掺杂浓度为1×1012<\/sup>～1×1017<\/sup>cm-3<\/sup>。
5.根据权利要求1所述的基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述n型单晶硅的厚度为5～50μm。
6.根据权利要求1所述的基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，其特征在于，所述石墨烯薄膜层厚度为0.01～0.5μm。
7.根据权利要求1所述的基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，其特征在于，在位于所述二氧化硅层通孔的区域的石墨烯薄膜层上设置光学减反层，所述光学减反层为若干层氮化硅薄膜叠置而成，光学减反层厚度为0.5～5μm。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种太阳能电池，尤其是涉及一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池。
背景技术
能源与环境问题一直是影响人类生存和发展的热点问题。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生能源，其开发利用受到了最广泛的关注。近年来发展最为成熟的硅基半导体PN结太阳能电池面临高能耗、高成本、高污染等几大问题，由石墨烯薄膜与单晶硅结合构成的石墨烯硅基肖特基结太阳能电池以其制备成本低廉、工艺环保等优势发展迅速。
石墨烯是一种典型的半金属，功函数约为4.8ev，当石墨烯与功函数低于该值的半导体结合时，即可形成肖特基结，并进一步组装成太阳能电池，得到1.0％～2.0％的转换效率(Xinming Li,Hongwei Zhu,et al.Adv.Mater.2010,22,2743-2748)；Miao等结合硅表面的氧化层钝化和石墨烯的掺杂制备得到了转换效率高达8.6％的太阳能电池(XiaochangMiao,Sefaattin Tongay,et al.Nano Lett.2012,12,2745-2750)。
与传统p-n或p-i-n结构的硅基太阳能电池相比，石墨烯硅基异质结电池结构简单，有效的降低了太阳能电池的成本。但目前由单个肖特基结构成的石墨烯太阳能电池光电转换效率仍然不高。公开号为CN的中国专利“一种石墨烯硅基太阳能电池”公开的石墨烯硅基太阳能电池结构包括背电极，背电极上设置单晶硅片，单晶硅片上设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面设置石墨烯薄膜，所述由二氧化硅层通孔暴露的单晶硅片表面还设有栅线电极。由于单晶硅作为间接带隙半导体，基于平面硅衬底的器件结构对于太阳光谱长波波长光子的利用效率不高，影响了器件性能的提高。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供了一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，解决平面硅基结构的石墨烯硅太阳能电池光电转换效率不高的问题。
本实用新型技术方案如下：一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池，包括背电极，背电极上设置n型单晶硅，所述n型单晶硅的表面设置二氧化硅层，所述二氧化硅层是具有通孔的环状结构，所述二氧化硅层的表面和由二氧化硅层通孔暴露的n型单晶硅表面设置石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层设置前电极，所述n型单晶硅的表面设有若干阵列布置的垂直于所述n型单晶硅的表面的非均匀盲孔，所述非均匀盲孔包括由所述n型单晶硅的表面向下连续设置的第一孔段和第二孔段，所述第一孔段直径大于第二孔段直径。
优选的，所述非均匀盲孔深度为2～20μm，直径为200～2000μm，相邻的非均匀盲孔间距为500～5000nm。
优选的，所述第一孔段和第二孔段的深度比值为0.2～5，第一孔段和第二孔段的直径比值为1.5～5.5。
优选的，所述n型单晶硅的掺杂浓度为1×1012<\/sup>～1×1017<\/sup>cm-3<\/sup>。
优选的，所述n型单晶硅的厚度为5～50μm。
优选的，所述石墨烯薄膜层厚度为0.01～0.5μm。
优选的，在位于所述二氧化硅层通孔的区域的石墨烯薄膜层上设置光学减反层，所述光学减反层为若干层氮化硅薄膜叠置而成，光学减反层厚度为0.5～5μm。
本实用新型中n型单晶硅衬底中设置非均匀盲孔阵列，使得太阳能光谱中300～700nm的短波长光子通过在非均匀盲孔中的多次反射增加了吸收，太阳能光谱中700～1100nm的长波长光子通过非均匀结构的谐振效应增加了吸收。与现有平面硅基结构的石墨烯太阳能电池相比提高了光子的吸收效率，提高电池的短路电流，进而提高目前石墨烯太阳能电池的转换效率。
本实用新型所提供的技术方案的优点在于：通过设置的非均匀盲孔阵列，由第一孔段和第二孔段的尺寸设置可以合理调节光子的吸收率，尤其可以显著提高长波波长光子的利用效率进而提高电池的光电转换效率。本实用新型具有结构简单，工艺稳定，易于制备的特点，所需工艺步骤均是成熟工艺，适于批量生产。
附图说明
图1为基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的结构俯视图。
图2为基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的剖视示意图。
图3为实施例1、2、3基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的与现有平面硅基石墨烯太阳能电池的光谱吸收对比图。
图4为实施例1、2、3基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的与现有平面硅基石墨烯太阳能电池的电流电压测试结果对比图。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不作为对本实用新型的限定。
请结合图1及图2所示，实施例1
基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为5μm，掺杂浓度为1017<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片1的正面利用反应离子刻蚀的方法刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第一孔段2a阵列，第一孔段2a以垂直于n型单晶硅片1表面。反应离子刻蚀的工作气体为腐蚀气体可用O2<\/sub>和SF6<\/sub>的混合气体，射频功率为150W，O2<\/sub>和SF6<\/sub>的配比为1︰6，刻蚀时间为20min。然后再利用湿法刻蚀的方法在第一孔段2a阵列的底部刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第二孔段2b阵列，刻蚀溶液为氢氧化钾，浓度为30％，刻蚀时间为30min。第一孔段2a的深度为1μm，直径为400nm，间距为1000nm。第一孔段2a和第二孔段2b的深度比值为1，第一孔段2a和第二孔段2b的直径比值为2。干燥后，n型单晶硅片1的正面沉积一层100nm二氧化硅层3，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层3的表面和由二氧化硅层3暴露的n型单晶硅片1表面上采用直接转移法制备0.5μm的多层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层4，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层3通孔的区域的石墨烯薄膜层4上制备600nm的氮化硅薄膜形成光学减反层5。在n型单晶硅片1的背面蒸发Ag金属薄膜6作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
实施例2
基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为5μm，掺杂浓度为1017<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片1的正面利用反应离子刻蚀的方法刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第一孔段2a阵列，第一孔段2a以垂直于n型单晶硅片1表面。反应离子刻蚀的工作气体为腐蚀气体可用O2<\/sub>和SF6<\/sub>的混合气体，射频功率为150W，O2<\/sub>和SF6<\/sub>的配比为1︰7，刻蚀时间为10min。然后再利用湿法刻蚀的方法在第一孔段2a阵列的底部刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第二孔段2b阵列，刻蚀溶液为氢氧化钾，浓度为25％，刻蚀时间为30min。第一孔段2a的深度为1.6μm，直径为400nm，间距为1000nm。第一孔段2a和第二孔段2b的深度比值为4，第一孔段2a和第二孔段2b的直径比值为2。干燥后，n型单晶硅片1的正面沉积一层100nm二氧化硅层3，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层3的表面和由二氧化硅层暴露的n型单晶硅片1表面上采用直接转移法制备0.5μm的多层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层4，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层3通孔的区域的石墨烯薄膜层4上制备600nm的氮化硅薄膜形成光学减反层5。在n型单晶硅片1的背面蒸发Ag金属薄膜6作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
实施例3
基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为5μm，掺杂浓度为1017<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片1的正面利用反应离子刻蚀的方法刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第一孔段2a阵列，第一孔段2a以垂直于n型单晶硅片1表面。反应离子刻蚀的工作气体为腐蚀气体可用O2<\/sub>和SF6<\/sub>的混合气体，射频功率为150W，O2<\/sub>和SF6<\/sub>的配比为1︰6，刻蚀时间为8min。然后再利用湿法刻蚀的方法在第一孔段2a阵列的底部刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第二孔段2b阵列，刻蚀溶液为氢氧化钾，浓度为30％，刻蚀时间为30min。第一孔段2a的深度为0.4μm，直径为400nm，间距为1000nm。第一孔段2a和第二孔段2b的深度比值为0.25，第一孔段2a和第二孔段2b的直径比值为2。干燥后，n型单晶硅片1的正面沉积一层100nm二氧化硅层3，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层3的表面和由二氧化硅层暴露的n型单晶硅片1表面上采用直接转移法制备0.5μm的多层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层4，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层3通孔的区域的石墨烯薄膜层4上制备600nm的氮化硅薄膜形成光学减反层5。在n型单晶硅片1的背面蒸发Ag金属薄膜6作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
实施例4
基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为20μm，掺杂浓度为1015<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片1的正面利用反应离子刻蚀的方法刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第一孔段2a阵列，第一孔段2a以垂直于n型单晶硅片1表面。反应离子刻蚀的工作气体为腐蚀气体可用O2<\/sub>和SF6<\/sub>的混合气体，射频功率为80W，O2<\/sub>和SF6<\/sub>的配比为1︰3，刻蚀时间为60min。然后再利用湿法刻蚀的方法在第一孔段2a阵列的底部刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第二孔段2b阵列，刻蚀溶液为氢氧化钾，浓度为20％，刻蚀时间为65min。第一孔段2a的深度为2μm，直径为600nm，间距为500nm。第一孔段2a和第二孔段2b的深度比值为0.2，第一孔段2a和第二孔段2b的直径比值为1.5。干燥后，n型单晶硅片1的正面沉积一层100nm二氧化硅层3，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层3的表面和由二氧化硅层暴露的n型单晶硅片1表面上采用直接转移法制备0.1μm的多层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层4，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层3通孔的区域的石墨烯薄膜层4上制备250nm的氮化硅薄膜形成光学减反层5。在n型单晶硅片1的背面蒸发Ag金属薄膜6作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
实施例5
基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为50μm，掺杂浓度为1012<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片1的正面利用反应离子刻蚀的方法刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第一孔段2a阵列，第一孔段2a以垂直于n型单晶硅片1表面。反应离子刻蚀的工作气体为腐蚀气体可用O2<\/sub>和SF6<\/sub>的混合气体，射频功率为200W，O2<\/sub>和SF6<\/sub>的配比为1︰8，刻蚀时间为5min。然后再利用湿法刻蚀的方法在第一孔段2a阵列的底部刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第二孔段2b阵列，刻蚀溶液为氢氧化钾，浓度为45％，刻蚀时间为20min。第一孔段2a的深度为15μm，直径为2000nm，间距为5000nm。第一孔段2a和第二孔段2b的深度比值为5，第一孔段2a和第二孔段2b的直径比值为5.5。干燥后，n型单晶硅片1的正面沉积一层100nm二氧化硅层3，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层3的表面和由二氧化硅层暴露的n型单晶硅片1表面上采用直接转移法制备0.5μm的多层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层4，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层3通孔的区域的石墨烯薄膜层4上制备5000nm的氮化硅薄膜形成光学减反层5。在n型单晶硅片1的背面蒸发Ag金属薄膜6作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
实施例6
基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为10μm，掺杂浓度为1015<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片1的正面利用反应离子刻蚀的方法刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第一孔段2a阵列，第一孔段2a以垂直于n型单晶硅片1表面。反应离子刻蚀的工作气体为腐蚀气体可用O2<\/sub>和SF6<\/sub>的混合气体，射频功率为200W，O2<\/sub>和SF6<\/sub>的配比为1︰6，刻蚀时间为30min。然后再利用湿法刻蚀的方法在第一孔段2a阵列的底部刻蚀出非均匀盲孔2阵列的第二孔段2b阵列，刻蚀溶液为氢氧化钾，浓度为30％，刻蚀时间为40min。第一孔段2a的深度为4μm，直径为600nm，间距为3000nm。第一孔段2a和第二孔段2b的深度比值为2，第一孔段2a和第二孔段2b的直径比值为3。干燥后，n型单晶硅片1的正面沉积一层100nm二氧化硅层3，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层3的表面和由二氧化硅层暴露的n型单晶硅片1表面上采用直接转移法制备0.01μm的单层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层4，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层3通孔的区域的石墨烯薄膜层4上制备0.25nm的氮化硅薄膜形成光学减反层5。在n型单晶硅片1的背面蒸发Ag金属薄膜6作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
参考
石墨烯太阳能电池的制备方法，首先将厚度为5μm，掺杂浓度为1017<\/sup>cm-3<\/sup>的n型单晶硅片的正面沉积一层100nm二氧化硅层，并在中央刻蚀一个通孔形成环状结构；在二氧化硅层的表面和由二氧化硅窗口层暴露的n型硅表面上采用直接转移法制备0.5μm的多层石墨烯薄膜形成石墨烯薄膜层，利用离子增强化学沉积技术在位于二氧化硅层通孔的区域的石墨烯薄膜层上制备600nm的氮化硅薄膜形成光学减反层。在n型单晶硅的背面蒸发Ag金属薄膜作为背电极一端引出导线作为太阳能电池的负极，最后在石墨烯薄膜一端引出导线作为太阳能电池的正极。
从图3中可以看出实施例1、2、3均提高了长波长光子的吸收，从图4中可以看出实施例1、2、3均提高了器件的光生电流密度，从而提高了器件的光电转换效率。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920059522.7
申请日:2019-01-15
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:32(江苏)
授权编号:CN209344104U
授权时间:20190903
主分类号:H01L 31/054
专利分类号:H01L31/054;H01L31/0352;H01L31/18
范畴分类:38F;
申请人:常熟理工学院;苏州腾晖光伏技术有限公司
第一申请人:常熟理工学院
申请人地址:215500 江苏省苏州市常熟市南三环路99号
发明人:况亚伟;刘玉申;王书昶;倪志春;魏青竹;马玉龙;张德宝;冯金福
第一发明人:况亚伟
当前权利人:常熟理工学院;苏州腾晖光伏技术有限公司
代理人:张俊范
代理机构:32204
代理机构编号:南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
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