[发明专利]一种基于石墨烯/半导体异质集成的多结太阳能电池

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯/半导体异质集成的多结太阳能电池，该太阳能电池利用石墨烯与半导体形成的异质结的发电性能，有效利用石墨烯与半导体中的热电子能量，提升每个单结太阳能电池的开路电压；将多个势垒高度不同的石墨烯基异质结单电池自下而上依次排布，可分别吸收不同光波段的太阳能，大幅提高太阳光的利用率，提高太阳能电池的光电转换效率。此外，与传统PN结太阳能电池相比，本发明的太阳能电池完全无需考虑晶格匹配问题，上层电池可直接键合在下层电池上的隧穿层上，制作工艺简单，转换效率更高，可大规模推广。

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，尤其涉及一种基于石墨烯/半导体异质集成的多结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

太阳能的高效利用是人类发展的重要追求，目前常见的太阳能电池都是将太阳光转换为半导体中的空穴与电子，然后通过半导体PN器件的内建电场分离，从而输出电能。但在PN器件中，光激发产生的空穴与电子迅速驰豫到导带底和价带顶，因此不能有效利用高能光子能量，也就是热电子能量。由于半导体中强烈的电子-声子相互作用，热电子的驰豫时间非常短，因此也加大了热电子能量输出的难度。

石墨烯是单原子层碳六环构成的晶体材料，属于半金属，有较好的透光性，且石墨烯与半导体形成的异质器件有很快的载流子输运过程(可以小于50飞秒)，这使得石墨烯中产生的热电子能有效输运到半导体中，且半导体的热电子也能有效输运到石墨烯中，结果使得整个石墨烯/半导体异质器件对于高于半导体能隙的高能光子能量利用效率提升，从而提升太阳能电池的电流密度与转换效率。

但是以前的研究大部分集中在单结石墨烯/半导体异质太阳能电池，由于热电子不可避免的热电子驰豫过程，整体上石墨烯/半导体异质太阳能电池的转换效率还只能到20％左右。以前的研究也有将单结石墨烯/半导体异质太阳能电池与传统PN结进行键合实现高效太阳能电池，但由于传统PN结太阳能电池的效率还不够高且需要晶格匹配要求，多结太阳能电池难以超过5层，且不能充分发挥石墨烯/半导体太阳能电池的优势。因此本发明将不同能隙大小的半导体与石墨烯形成异质结，然后通过隧穿层将以上不同的石墨烯/半导体异质器件连接在一起构成高效太阳能电池，这样既能实现对太阳能光谱的精确匹配，又能实现对热电子的能量更高程度利用，从而获得高转换效率的太阳能电池。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于石墨烯/半导体异质集成的多结太阳能电池及其制备方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯/半导体异质集成的多结太阳能电池，包括设于底部的背面电极、设于顶部的正面电极、以及设于二者之间的N个叠置的石墨烯基异质结单电池，其中N≥2，在相邻的每两个单电池之间均设置有隧穿层；所述的石墨烯基异质结单电池为由下而上设置的石墨烯/半导体层，N个单电池中的半导体层均不相同，每个单电池均采用直接键合的方式设置在前一级单电池上的隧穿层上。上述太阳能电池结构也可完全倒置过来，背面电极为顶，正面电极为底。本发明中的背面电极与所接触的石墨烯之间、正面电极与所接触的半导体层之间应尽可能的形成欧姆接触。

上述技术方案中，进一步的，所述的石墨烯基异质结单电池中的半导体层选自Ge、GaAs、AlGaAs、GaInP、InGaN、GaInAs、GaInAsP、AlGaInP、CdTe、CZTS等。

进一步的，所述的N个叠置的单电池自下而上应按照各单电池中半导体层的禁带宽度从小向大排列。

进一步的，所述的石墨烯基异质结单电池中石墨烯的厚度为0.4纳米至10纳米。

进一步的，所述的隧穿层选自均选自ITO、或重掺杂的AlGaAs、GaInP、GaAs、GaInAs、GaInAsP、AlGaInP或CdTe等半导体中的一种或几种。