[发明专利]基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明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。本发明还公开了制备基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的方法。本发明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。

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，尤其是涉及一种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池及其制备方法。

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。

发明内容

本发明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。本发明的另一个目的是提供这种基于硅纳米孔阵列的石墨烯太阳能电池的制备方法。

本发明技术方案如下：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1×10¹²～1×10¹⁷cm^-3。

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。