[发明专利]基于石墨烯的多结柔性太阳能电池

说明书

相关申请的交叉引用

根据美国法典第35条第§119款，本申请要求于2011年3月29日提交的序列号为61/468,970的临时申请的优先权，其公开内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开涉及用于将光转换成能量的结构。更具体地，本公开描述使用基于石墨烯的太阳能电池将光转换成电的装置。

背景

近年来，人们提出了用于产生电能的煤、石油和天然气的多种替代物。在这些替代能源中，使用光伏太阳能电池将太阳能转换成电能被认为是最具前景的。然而，目前的光伏技术包含有使其难以与矿物燃料技术进行竞争的限制。除了半导体材料、制造和处理的高成本之外，通过目前的光伏技术可以实现的能量转换的最大效率约为25%。

概述

本公开提供了包括多个子电池的多结太阳能电池，多个子电池中的至少两个子电池具有不同的带隙能量，其中多个子电池中的至少一个包括堆叠在p型半导电石墨烯上的n型半导电石墨烯。在一个实施例中，多个子电池包括两个以上的子电池。在另一个实施例中，多个子电池包括三个或多于三个子电池。在又一个实施例中，不同的带隙能量在随后的离入射光能量更远的子电池上降低。在另一个实施例中，太阳能电池包括多个子电池，每个子电池与直接相邻的子电池相比具有约0.25eV或更大的差别。在前面的实施例的任何一个中，太阳能电池包括多个电池组，每组包括多个单原子石墨烯p-n层且在一组中的每个单原子p-n层包括类似的带隙，以及每个不同的子电池组包括不同的带隙。在一个实施例中，太阳能电池还包括分隔每个子电池并与之接触的透明导电衬底。在再一个实施例中，太阳能电池还包括在最靠近光源的表面上的抗反射涂层和金属触点，以及在离光源最远的表面上的金属触点，所述触点被多个子电池分离。在一个实施例中，n型石墨烯用氮或磷进行掺杂。在另一个实施例中，p型石墨烯用硼或铝进行掺杂。

本公开还提供了多结太阳能电池，其包括：顶部金属触点和抗反射涂层；第一子电池，其包括：与顶部金属触点接触的第一透明导电层，与第一透明导电层接触的第一n型石墨烯层，与第一n型石墨烯层接触的第一p型石墨烯层，其中第一n型石墨烯层和第一p型石墨烯层具有相同的带隙；第二子电池，其包括：与之前的p型石墨烯层接触的第二透明导电层，与第二透明导电层接触的第二n型石墨烯层，与第二n型石墨烯层接触的第二p型石墨烯层，其中第二n型石墨烯层和第二p型石墨烯层具有相同的带隙，并且其中第二n型层和第二p型层具有与第一子电池相同的或更小的带隙；与第二p型石墨烯层接触的底部透明导电层；以及与第二p型石墨烯层电接触的底部金属触点。在再一个实施例中，一个或多个附加子电池将第一子电池和第二子电池分离。

本公开还提供了一种制造石墨烯多结太阳能电池的方法，其包括：将p掺杂或n掺杂的石墨烯的单原子石墨烯层沉积在金属薄膜上；将具有透明导电氧化物薄膜的透明导电柔性衬底放置在单原子石墨烯层的表面上；从单原子石墨烯层去除金属薄膜；氧化单原子石墨烯层来打开其带隙以提供石墨烯-柔性衬底组件；将一个或多个具有相等带隙但相反掺杂的其他石墨烯-柔性衬底组件进行结合以提供p-n掺杂的石墨烯组件；将一个或多个p-n掺杂的组件或子电池堆叠在具有相同的或不同的带隙的其他p-n掺杂的组件或子电池的顶部或底部之上。在一个实施例中，沉积通过化学气相沉积技术来进行。在另一个实施例中，氧化通过紫外线/臭氧处理或氧等离子处理来进行。

本公开的基于石墨烯的多结太阳能电池提供有几个优点，其是普通的III-V半导体材料多结太阳能电池所不能提供的。这些优点包括但不限于：半导体石墨烯具有直接带隙，这使其能够在与比如硅的间接带隙材料相比薄得多的区域中吸收更多光子；并且石墨烯的电子和空穴载流子的迁移率比硅和其他III-V半导体材料的高约两个数量级。因此，基于石墨烯的太阳能电池的内电阻无疑将比普通的III-V半导体太阳能电池的内电阻小得多；与在地壳中可获得的极少量的铟和碲不同，碳是丰富的，并且制造高纯度石墨烯的成本与晶体硅的制造成本相当。

在下面附图和说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。本发明的其他特征、目的和优点将根据说明和附图以及根据权利要求是明显的。

附图说明

图1A-B示出了由具有不同带隙的半导体石墨烯的三个部件制成的三结石墨烯太阳能电池，所述三个部件被堆叠在彼此的顶部并由透明导电的、优选地为柔性的衬底分离。

图2示出了由半导体石墨烯的三个部件制成的三结石墨烯太阳能电池。每个部件具有多个相等带隙的单原子石墨烯层以增加入射光子吸收。