一種石墨烯太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種石墨烯太陽能電池,包括有增透膜、多層石墨烯正面電極、單層石墨烯柵線、外延片、多層石墨烯背面電極，所述增透膜、單層石墨烯柵線、外延片、多層石墨烯背面電極從上至下依次層疊設置；所述多層石墨烯正面電極對應設置在外延片上，并與所述單層石墨烯柵線處于外延片的同一側面；所述多層石墨烯正面電極圍著單層石墨烯柵線所形成的區域，并與其相連接；所述多層石墨烯正面電極上設置有金屬接觸點，并通過所述金屬接觸點引出金屬引線。本實用新型采用單層石墨烯作為太陽能電池柵線，可以大幅度地減小柵線寬度和厚度，再加上石墨烯材料本身的高透光性，可以有效地減少柵線的光吸收，提高電池轉換效率。
【專利說明】一種石墨烯太陽能電池
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及太陽能電池的【技術領域】，尤其是指一種石墨烯太陽能電池。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，太陽能作為理想的可再生能源受到了越來越多國家的重視，開展太陽能電池研究、發展光伏發電產業對國家能源的可持續發展具有非常重要的意義。太陽能電池的面臨的主要問題為光電轉換效率較低，性價比不高，不能滿足大規模民用的需求。目前，商用單晶硅電池的轉化效率約為16%-20%，多晶硅電池約為14%-16% ；Ge襯底上外延生長晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge三結太陽能電池500倍聚光下轉化效率超過41%，遠高于晶硅電池，且具有進一步提升空間。
[0003]太陽能電池的柵線和電極起收集和傳輸光生載流子的作用，優化柵線和電極結構與工藝是提高太陽能電池效率的重要技術方向之一。目前，大多采用沉積金屬并高溫退火形成歐姆接觸來制作多節太陽能電池表面柵線和電極。但是，不透明的金屬柵線會反射和吸收入射光線，從而減小太陽能電池的有效受光面積，進而降低單片電池輸出功率。通常情況下，柵線遮擋面積約占電池有效受光面積的5%?15%。為了減少柵線和電極對光能的吸收和反射，有效利用更多光能，透明柵線和電極的相關研究成為太陽能電池【技術領域】熱點之一。另外，較厚的金銀等貴金屬電極也加大了太陽能電池芯片的制備成本，減少其使用量意義重大。
[0004]目前常用的透明電極材料是ITO (氧化銦錫)，且已具備商業標準。而在實際應用中，ITO的化學穩定性較差、滿足電學性能需要的ITO薄膜光吸收只有85%左右。且隨著稀土元素In的不斷開發利用，ITO將越來越昂貴，選擇一種其替代材料顯得非常必要。石墨烯是目前已知最薄(單原子層厚度約0.34nm)、卻最堅硬的納米材料(楊氏模量lTPa，固有強度130GPa))幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，導熱系數高達5300W/m..K，室溫電子遷移率大于15000cm2/V.s，均高于碳納米管和金剛石，電阻率僅為10_6Ω.cm，為目前世上電阻率最小的材料。同時，石墨烯擁有極高的氣密性，任何氣體完全不能透過。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，遠高于硅和銅等傳統的半導體和導體。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非比尋常的優良特性。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板等。同時，它的高透光性和良好的導電性也非常適合作為透明導電層。
【發明內容】
[0005]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種石墨烯太陽能電池，利用石墨烯材料的高電導率和高透光性，可以有效地緩解目前太陽能電池存在的柵線遮擋面積占電池有效受光面積較大、電極貴金屬成本較高等問題。[0006]為實現上述目的，本實用新型所提供的技術方案為:一種石墨烯太陽能電池，包括有增透膜、多層石墨烯正面電極、單層石墨烯柵線、外延片、多層石墨烯背面電極，其中，所述增透膜、單層石墨烯柵線、外延片、多層石墨烯背面電極從上至下依次層疊設置；所述多層石墨烯正面電極對應設置在外延片上，并與所述單層石墨烯柵線處于外延片的同一側面；所述多層石墨烯正面電極圍著單層石墨烯柵線所形成的區域，并與其相連接；所述多層石墨烯正面電極上設置有金屬接觸點，并通過所述金屬接觸點引出金屬引線。
[0007]所述單層石墨烯柵線的寬度為2?15um，柵線間距為80?150um。
[0008]所述多層石墨烯正面電極和多層石墨烯背面電極的厚度為1.5?20um。
[0009]所述外延片為單節或多節結構，其所用材料為S1、Ge、InAs、GaAs、GaInAsN、ZnSeS、GaInP, InGaN、AlGaInP中的一種或幾種組合，其襯底所用材料為S1、Ge、SiC、Al2O3中的一種。
[0010]所述增透膜為多層結構，其為MgF2/ZnS、Ta205/Al203、Ta205/Si02、Ti02/Si02 中的一種。
[0011]本實用新型與現有技術相比，具有如下優點與有益效果:
[0012]1、與現在所用金銀等貴金屬柵線材料相比，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收
2.3%的光，因此，采用單層石墨烯作為太陽能電池柵線，可以大幅度地減小柵線寬度和厚度，再加上石墨烯材料本身的高透光性，可以有效地減少柵線的光吸收，提高電池轉換效率；
[0013]2、采用多層石墨烯材料作為電極代替厚的金銀貴金屬電極，可大幅度降低成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型所述石墨烯太陽能電池的主視圖。
[0015]圖2為本實用新型所述石墨烯太陽能電池的剖視圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0017]參見圖1和圖2所示，本實施例所述的石墨烯太陽能電池，具體為矩形結構，包括有增透膜1、多層石墨烯正面電極2、單層石墨烯柵線3、外延片4、多層石墨烯背面電極5，其中，所述增透膜1、單層石墨烯柵線3、外延片4、多層石墨烯背面電極5從上至下依次層疊設置；所述多層石墨烯正面電極2對應設置在外延片4上，并與所述單層石墨烯柵線3處于外延片4的同一側面；所述多層石墨烯正面電極2圍著單層石墨烯柵線3所形成的區域(具體為圖中的圓形區域)，并與其相連接；所述多層石墨烯正面電極2上設置有四個金屬接觸點6，并通過所述四個金屬接觸點6分別引出四條金屬引線7，所述四個金屬接觸點6分布在多層石墨烯正面電極2的四個角處，如圖1所示。
[0018]所述單層石墨烯柵線3的厚度約0.34nm，柵線寬度為2?15um，柵線間距為80?150umo
[0019]所述多層石墨烯正面電極2和多層石墨烯背面電極5的厚度為1.5?20um。
[0020]所述外延片4為單節或多節結構，其所用材料為S1、Ge、InAs、GaAs、GalnAsN、ZnSeS, GaInP, InGaN、AlGaInP中的一種或幾種組合，其襯底所用材料為S1、Ge、SiC、Al2O3中的一種。
[0021]所述增透膜I 為多層結構，具體為 MgF2/ZnS、Ta205/Al203、Ta205/Si02、Ti02/Si02 中的一種。
[0022]以下為本實施例上述石墨烯太陽能電池的制備方法，其具體情況如下:
[0023]I)使用MOCVD或MBE生長單節或多節太陽能電池的外延片4，其襯底所用材料為S1、Ge、SiC、Al2O3 中的一種。
[0024]2)對所述外延片4的背面進行涂膠保護，對其正面進行表面酸洗，其中，所述酸洗采用如下兩步清洗流程:①有機溶劑(甲苯、丙酮、酒精等)一去離子水一無機酸(鹽酸、硫酸、硝酸、王水等)一氫氟酸一去離子水；②堿性過氧化氫溶液一去離子水一酸性過氧化氫溶液一去離子水。
[0025]3)采用微機械剝離法或者CVD法，將石墨烯薄膜轉移至所述外延片4表面，或者直接生長在所述外延片4表面。
[0026]4)對所述外延片4依次進行正面勻膠，隨后采用光學光刻或者電子束直寫的方法刻蝕光刻膠，并用顯影液顯影，形成由光刻膠構成的柵線圖形。
[0027]5)用氧等離子體的Matrix或者是利用氧紫外線的UV除膠儀器去除柵線區域以外的殘膠。
[0028]6)利用光刻膠構成的柵線圖形作為刻蝕掩模，用Matrix、RIE刻蝕機、UV儀器中的氧源，將柵線圖形區域以外的石墨烯刻蝕干凈，并在50°C的熱丙酮中浸泡30分鐘除去柵線圖形上的起保護作用的光刻膠，形成所需的單層石墨烯柵線3。
[0029]7)對所述外延片4進行正面勻膠，隨后采用光學光刻或者電子束直寫的方法刻蝕光刻膠，并用顯影液顯影，形成由光刻膠構成的臺面圖形。
[0030]8)用氧等離子體的Matrix或者是利用氧紫外線的UV除膠儀器去除臺面圖形上方的殘膠。
[0031]9)采用H3PO4系腐蝕液或檸檬酸系腐蝕液，對臺面進行濕法腐蝕，將光刻膠構成的臺面圖形轉移到所述外延片4上，形成臺面隔離。
[0032]10)對所述外延片4進行正面勻膠，隨后采用光學光刻或者電子束直寫的方法刻蝕光刻膠，并用顯影液顯影，形成由光刻膠構成的正面電極圖形。
[0033]11)用氧等離子體的Matrix或者是利用氧紫外線的UV除膠儀器去除正面電極圖形上方的殘膠。
[0034]12)將經過摻雜或堿金屬碳酸鹽處理過的多層石墨烯材料置于光刻膠構成的正面電極圖形上，并在50°C的熱丙酮中浸泡30分鐘除去正面電極圖形以外的光刻膠和多層石墨烯材料，形成所需的多層石墨烯正面電極2。
[0035]13)將經過摻雜或堿金屬碳酸鹽處理過的多層石墨烯材料置于所述外延片的背面，形成所需的多層石墨烯背面電極5。
[0036]14)對所述外延片4依次進行正面勻膠，隨后采用光學光刻或者電子束直寫的方法刻蝕光刻膠，并用顯影液顯影，形成由光刻膠構成的增透膜圖形。
[0037]15)用氧等離子體的Matrix或者是利用氧紫外線的UV除膠儀器去除增透膜圖形上方的殘膠。
[0038]16)采用CVD方法在所述單層石墨烯柵線3上制備增透膜，所述增透膜為多層結構，可為 MgF2/ZnS、Ta205/Al203、Ta205/Si02、Ti02/Si02 中的一種；并在 50°C 的熱丙酮中浸泡30分鐘除去增透膜以外的光刻膠，形成所需的增透膜I。
[0039]17)對所述外延片進行正面勻膠、采用光學光刻或者電子束直寫的方法刻蝕光刻膠，并用顯影液顯影，形成由光刻膠構成的金屬接觸點圖形。
[0040]18)用氧等離子體的Matrix或者是利用氧紫外線的UV除膠儀器去除金屬接觸點圖形上方的殘膠。
[0041]19)利用光刻膠作為刻蝕掩模，用Matrix、RIE刻蝕機、UV儀器中用氧源，對金屬接觸點圖形的石墨烯材料進行刻蝕，同時破壞石墨烯材料的晶格結構，形成缺陷。
[0042]20)采用電子束蒸發或者濺射在形成缺陷的金屬接觸點圖形上淀積金屬；所述金屬為 Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、N1、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一種。
[0043]21)采用熱丙酮剝離金屬接觸點圖形以外區域的光刻膠及金屬，將樣品浸泡在50°C的熱丙酮中30分鐘，在浸泡后除了源漏接觸區域的金屬，其它地方的金屬都隨著光刻膠的溶解而脫落，隨后進行退火處理，退火溫度為600-900°C，退火時間時間為30-200S，退火氣氛可為N2和H2，形成歐姆接觸，作為金屬與多層石墨烯電極的金屬接觸點。
[0044]22)從所述金屬接觸點上引出金屬引線，至此便完成石墨烯太陽能電池的制備。
[0045]綜上所述，在采用以上方案后，采用單層石墨烯作為太陽能電池柵線，可以大幅度地減小柵線寬度和厚度，再加上石墨烯材料本身的高透光性(幾乎是完全透明的，只吸收
2.3%的光)，可以有效地減少柵線的光吸收，從而提高電池轉換效率，同時，采用多層石墨烯材料作為電極代替厚的金銀貴金屬電極，可大幅度降低成本。這相比現有技術，本實用新型可以有效避免常規金屬柵線對光的吸收，從而提高太陽能電池效率，可靠性更高，值得推廣。
[0046]以上所述之實施例子只為本實用新型之較佳實施例，并非以此限制本實用新型的實施范圍，故凡依本實用新型之形狀、原理所作的變化，均應涵蓋在本實用新型的保護范圍內。
【權利要求】
1.一種石墨烯太陽能電池，其特征在于:包括有增透膜(I)、多層石墨烯正面電極(2)、單層石墨烯柵線(3)、外延片(4)、多層石墨烯背面電極(5)，其中，所述增透膜(I)、單層石墨烯柵線(3)、外延片(4)、多層石墨烯背面電極(5)從上至下依次層疊設置；所述多層石墨烯正面電極(2)對應設置在外延片(4)上，并與所述單層石墨烯柵線(3)處于外延片(4)的同一側面；所述多層石墨烯正面電極(2)圍著單層石墨烯柵線(3)所形成的區域，并與其相連接；所述多層石墨烯正面電極(2)上設置有金屬接觸點(6)，并通過所述金屬接觸點(6)引出金屬引線(7)。
2.根據權利要求1所述的一種石墨烯太陽能電池，其特征在于:所述單層石墨烯柵線(3)的寬度為2?15um，柵線間距為80?150um。
3.根據權利要求1所述的一種石墨烯太陽能電池，其特征在于:所述多層石墨烯正面電極(2)和多層石墨烯背面電極(5)的厚度為1.5?20um。
4.根據權利要求1所述的一種石墨烯太陽能電池，其特征在于:所述外延片(4)為單節或多節結構。
5.根據權利要求1所述的一種石墨烯太陽能電池，其特征在于:所述增透膜(I)為多層結構。
【文檔編號】H01L31/0224GK203733813SQ201420034861
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年1月20日 優先權日:2014年1月20日
【發明者】張露, 張楊, 楊翠柏, 陳丙振, 萬智, 丁杰, 王智勇, 吳步寧 申請人:瑞德興陽新能源技術有限公司