[发明专利]一种石墨烯/InGaN多结异质太阳能电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯/InGaN多结异质太阳能电池，该太阳能电池自下而上依次包括：背面电极、Ge电池层、第一隧穿结、GaAs电池层、第二隧穿结、石墨烯/In_xGa_1‑xN层、量子点层、减反层和正面电极。本发明的多结异质太阳能电池通过调节In_xGa_1‑xN中x的值，InGaN的禁带宽度可在3.4eV(GaN)到0.7eV(InN)之间连续变化，可有效控制其吸收光谱范围。同时，石墨烯与In_xGa_1‑xN形成异质结不需要晶格匹配，可直接转移。除此之外，石墨烯与In_xGa_1‑xN形成的异质结拥有较高的开路电压，也使石墨烯/In_xGa_1‑xN太阳能电池具有更高的光电转换效率。本发明阐述的基于石墨烯/In_xGa_1‑xN的多结异质太阳能电池性价比高、工艺简单、易于商业化推广。

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，尤其涉及一种石墨烯/InGaN(即石墨烯/In_xGa_1-xN)多结异质太阳能电池及其制备方法，属于新型太阳能电池技术领域。

背景技术

现如今，能源危机和环境问题已经成为世界性的重大技术难题，而我国过分依赖煤、石油、天然气等传统能源的能源结构也亟待改变。“绿水青山就是金山银山”——随着我国政府对生态环境问题的日益重视，总量大、无污染的太阳能成为大家关注的焦点。其中太阳能电池光伏产业成为二十世纪八十年代后增长最快的高新技术产业之一，其最近5年的年平均增长率为49.5％。目前商业化的太阳能电池产品中，晶体硅(单晶和多晶)太阳能电池的市场份额最大，一直保持85％以上的市场占有率。但太阳能发电所占比例还很低，究其原因，很重要的一点是太阳能电池发电成本较高。成本高来源于两个方面，一是其组件本身价格高，二是其光电转换效率低。市面上的传统硅晶太阳能电池的光电转换效率实测在20％左右，远低于S-Q极限转换效率32％，如何提高商业硅晶太阳能电池的光电转换效率、降低太阳能发电成本显得尤为重要。

石墨烯自2004年被发现以来，因其独特的结构和优异的性能，成为各方追逐的焦点。其中石墨烯具有极高的电子迁移率，高度可调的导电性，微尺度弹道传输，异常的量子霍尔效应，2.3％的可见光吸收率和高机械强度等突出的电学，光学和物理性能，使其在太阳能光伏产业中大展身手。其制备方法也日渐成熟，现已可通过多种方法制得纯度高、价格低的石墨烯。2017年，浙江大学Lin课题小组预测石墨烯太阳能效率可以超过30％。

太阳能光谱范围极广，其中99.9％的能量集中在可见光、红外光和紫外光，地面上观测到的太阳能波长范围为0.295-2.5um。单晶太阳能电池因只能吸收特定频段的太阳能光而限制了其光电转换效率的提升，多结太阳能电池则在此方面有突出的优势。选取Ge、GaAs和In_xGa_1-xN这三种禁带宽度不同的材料，从下到上叠加起来，扩大了整个太阳能电池可吸收的太阳能频率范围，从而大大提高了光电转换效率。其中In_xGa_1-xN的禁带宽度可在3.4eV(GaN)到0.7eV(InN)之间连续变化，可调节In的含量将In_xGa_1-xN的禁带宽度控制在1.8eV-2.0eV，主要吸收650nm以下的光；GaAs的帯隙宽度为1.42eV，吸收650-880nm的光；Ge的帯隙宽度为0.67eV，吸收880-1850nm的光。

此外，与传统多结太阳能电池相比，石墨烯/In_xGa_1-xN多结异质太阳能电池的结区位于器件表面，因此通过前表面的设计可以有效的提高其转化效率；同时石墨烯与半导体之间形成异质结不需要晶格匹配，方便器件的制备和转移；石墨烯与In_xGa_1-xN形成的异质结带隙更大也具有更高的开路电压，从而可以进一步提升多结太阳能电池的整体效率。