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CN111276550A - 具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池及其制作方法 Download PDF

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CN111276550A
CN111276550A CN201911094127.3A CN201911094127A CN111276550A CN 111276550 A CN111276550 A CN 111276550A CN 201911094127 A CN201911094127 A CN 201911094127A CN 111276550 A CN111276550 A CN 111276550A
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陆书龙
龙军华
李雪飞
王航
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Abstract

本发明公开了一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池及其制作方法。所述具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池包括砷化镓太阳能电池外延结构以及分别设置在所述砷化镓太阳能电池外延结构第一面、第二面的第一电极、第二电极，其中，所述第一电极为包含石墨烯层的全透明电极，以及，砷化镓太阳能电池外延结构与石墨烯层之间还设置有高掺杂的砷化镓接触层，石墨烯层经所述砷化镓接触层与所述砷化镓太阳能电池外延结构形成欧姆接触。本发明利用石墨烯层作为砷化镓太阳能电池的第一电极，该第一电极可以有效地提高电极收集电流的能力，减小串联电阻，可以降低遮光损失，有利于砷化镓太阳能电池获得更高的开路电压、短路电流以及光电转换效率。

Description

具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种柔性太阳能电池，特别涉及一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池及其制作方法，属于半导体技术领域。
背景技术
太阳能光伏发电被认为是最有前途的可再生能源技术之一，已成为可再生能源技术中发展最快，最具活力的研究领域。以砷化镓为代表的Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体由于具有直接带隙、温度系数较小和更高的抗辐照性能等诸多优点，是实现高效率太阳能电池的一种重要手段。由于砷化镓太阳能电池的成本较高，因此采用柔性太阳能电池来减小对原料在量上的依赖程度，而且柔性砷化镓太阳能电池具有效率高、重量比功率高、厚度薄、可弯曲等特点，其应用前景越来越受到国内外主要研究机构的重视。然而，在砷化镓太阳能电池器件制作中，由于砷化镓材料的方块电阻相对较大，使砷化镓太阳能电池器件的电流的横向收集受到限制，所以针对砷化镓太阳能电池器件需要制作较为密集的条形金属栅线以更好地收集电流，导致金属栅电极遮挡部分入射光，造成一定的遮光损失，不利于砷化镓太阳能电池的转换效率的提升。现有技术中多采用ITO(氧化铟锡)、AZO(掺铝氧化锌)作为砷化镓太阳能电池器件的透明电极；然而，ITO(氧化铟锡)和AZO(掺铝氧化锌)的导电性和柔性较差。此外，ITO(氧化铟锡)和AZO(掺铝氧化锌)的生产大多需要使用磁控溅射、原子沉积、分子束外延等高耗能的制备方法和相应的设备，成本高，制备条件苛刻。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池及其制作方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例一方面提供了一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其包括砷化镓太阳能电池外延结构以及分别设置在所述砷化镓太阳能电池外延结构第一面、第二面的第一电极、第二电极，其中，所述第一面和第二面相背对设置，所述的第一电极为包含石墨烯层的全透明电极，以及，所述砷化镓太阳能电池外延结构与所述石墨烯层之间还设置有高掺杂的砷化镓接触层，所述石墨烯层经所述砷化镓接触层与所述砷化镓太阳能电池外延结构形成欧姆接触。
进一步的，所述石墨烯层的石墨烯为1-10层。
进一步的，所述石墨烯层的厚度为1-100nm。
进一步的，所述第一电极还包括设置在所述石墨烯层表面的金属层，所述金属层为透明的结构，该金属层可以设置在石墨烯层的上表面或下表面。
优选的，所述薄膜金属层的材质包括铜、金、银、钛、铝中的任意一种或两种以上的组合。
优选的，所述薄膜金属层厚度为1-10nm。
进一步的，所述第一电极的表面还设置有抗反射层，所述抗反射层设置在所述第一电极远离所述砷化镓太阳能电池外延结构的一侧，所述抗反射层能够减少入射到太阳能电池的入射光的反射，增加光的吸收率。
优选的，所述抗反射层包括Si02层和/或TiO2层，且不限于此。
进一步的，所述抗反射层可以是单层的Si02层或TiO2层或Al2O3层，也可以是由Si02层和TiO2层、Al2O3层任意组合、交替设置形成的多层结构，且从外延结构表面开始，所述抗反射层的折射率逐渐降低。
优选的，所述抗反射层的厚度为10-100nm。
进一步的，所述砷化镓接触层的掺杂浓度为1019-1020cm-3。
进一步的，所述砷化镓太阳能电池外延结构包括复数个子电池单元，所述子电池单元包括背场层、基区、反射区、窗口层。
本发明实施例还提供了所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池的制作方法，其包括：
提供砷化镓太阳能电池外延结构，所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面具有砷化镓接触层，在所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面、第二面制作第一电极、第二电极，所述第一面与第二面相背对设置，所述第一电极包括石墨烯层，并且所述石墨烯层经所述砷化镓接触层与所述砷化镓太阳能电池外延结构形成欧姆接触；
将设置有第一电极和第二电极的砷化镓太阳能电池外延结构于保护气氛、250-350℃条件下进行金属合金化处理2-10min。
进一步的，所述的制作方法还包括：在所述石墨烯层表面制作抗反射层。
在一些较为具体的实施方案中，所述的制作方法具体包括：
1)提供正向或倒置生长的砷化镓太阳能电池外延结构，并在所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面形成高掺杂的砷化镓接触层，其中，所述砷化镓太阳能电池外延结构形成在砷化镓衬底上，所述砷化镓太阳能电池外延结构与砷化镓衬底之间还具有牺牲层；
2)提供石墨烯层，所述石墨烯层形成在金属衬底上，在所述石墨烯层上制作支撑层，除去所述金属衬底并将承载有石墨烯层的支撑层转移至所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面，并使所述石墨烯层与砷化镓接触层欧姆接触，之后除去所述的支撑层；
3)在所述石墨烯层上蒸镀金属形成薄膜金属层，所述石墨烯层与薄膜金属层共同构成第一电极，之后在所述第一电极表面制作抗反射层；
4)将所述砷化镓太阳能电池外延结构转移至刚性衬底上，并除去所述的砷化镓衬底以及牺牲层；
5)在所述砷化镓太阳能电池外延结构的第二面制作金属层作为第二电极；
6)将所述形成有第一电极和第二电极的砷化镓太阳能电池外延结构于保护气氛、250-350℃条件下进行金属合金化处理2-10min；
7)除去所述的刚性衬底，即获得所述具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池。
与现有技术相比，本发明利用石墨烯层作为砷化镓太阳能电池(即具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池)的第一电极，该第一电极可以有效地提高电极收集电流的能力，减小串联电阻，与传统的金属栅线电极相比可以降低遮光损失，有利于砷化镓太阳能电池获得更高的开路电压、短路电流以及光电转换效率。
附图说明
图1a是本发明一典型实施案例中一种正向生长的砷化镓多结太阳能电池外延片的结构示意图；
图1b是本发明一典型实施案例中一种正向生长的砷化镓多结太阳能电池外延片的结构示意图；
图2是本发明一典型实施案例中一种砷化镓多结太阳能电池外延片中的子电池的结构示意图；
图3是本发明一典型实施案例中一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池的结构示意图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供的一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，通过采用石墨烯作为透明导电电极来制备薄膜多结太阳能电池，其包括具有不同吸收波长范围的子电池单元，并采用透明导电薄膜石墨烯作为导电电极，石墨烯层位于砷化镓太阳能电池外延结构的正面(即前述第一面)，石墨烯层的石墨烯层数为1-10层。由于在石墨烯层与正常的砷化镓太阳能电池之间很难形成欧姆接触，所以在这两者之间插入了5-20nm的高掺杂的砷化镓接触层，掺杂浓度为10^19-10^20cm-3。
其中，石墨烯材料具有高载流子迁移率、高透明性、高导电性等优异的光电特性。但为了调整石墨烯电极的功函数，形成欧姆接触，还可以在石墨烯层的表面蒸镀1-10nm的薄膜金属层(例如铜，金，银，钛，铝等)，石墨烯层与薄膜金属层共同组成透明导电电极，薄膜金属层的厚度为十几纳米，其仍然为透明的，能让光全部透过，进而调整石墨烯的功函数，形成GaAs/石墨烯/超薄金属三明治型MIS结构太阳能电池，与采用石墨烯直接作为电极接触相比，该结构可以有效的减少石墨烯与GaAs的接触电阻，从而减少太阳能电池的串联电阻、提高电池的电流密度、提高电池的转换效率。
在一些较为具体的实施方案中，请参阅图3，一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其包括砷化镓太阳能电池外延结构、设置在砷化镓太阳能电池外延结构正面(即第一面，下同)的高掺杂的砷化镓接触层、设置在高掺杂的砷化镓接触层上的正面电极(即前述第一电极，下同)以及设置在砷化镓太阳能电池外延结构(即第二面，下同)的背面电极(即前述第二电极，下同)，所述的正面电极为主要由底层设置的石墨烯层和薄膜金属层组成的全透明电极，所述背面电极为金属电极，所述石墨烯层经该高掺杂的砷化镓接触层与砷化镓太阳能电池外延结构形成欧姆接触。其中，所述石墨烯层的石墨烯为1-10层，厚度为1-100nm。所述薄膜金属层的厚度为1-10nm(金属在很薄的情况下是透明的)。所述薄膜金属层的材质包括但不限于铜、金、银、钛、铝中的任意一种或两种以上的组合。该高掺杂的砷化镓接触层的厚度为5-20nm，掺杂浓度为1019-1020cm-3。
具体的，请参阅图1a、图1b和图2，砷化镓太阳能电池外延结构包括依次设置的第一子电池、隧道结、第二子电池、隧道结、第三子电池和隧道结，在第一子电池与背面电极之间还设置有第一砷化镓接触层(n/P接触层)，隧道结与正面电极的石墨烯层之间设置有第二砷化镓接触层(n/P接触层)，其中，第一子电池、第二子电池和第三子电池均具有窗口层、反射区、基区和背场层等结构，第一砷化镓接触层、第二砷化镓接触层的掺杂浓度均为1019-1020cm-3。
具体的，一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池的制作方法可以包括如下步骤：
1)在支撑衬底(例如砷化镓衬底)上制备正向或倒置生长的砷化镓多结太阳能电池外延片(正向生长的砷化镓多结太阳能电池外延片的结构如图1a、图1b所示)；
2)提供石墨烯层，该石墨烯层形成在金属衬底上，首先在石墨烯层表面制备支撑层，然后利用腐蚀液(例如氨水和双氧水的混合溶液)，去除金属衬底；然后将承载有石墨烯层的支撑层转移到表面清洁的砷化镓多结太阳能电池外延上作为正面电极，并通过有机溶液浸泡的方式去除支撑层；
3)在石墨烯层表面蒸镀金属形成薄膜金属层，石墨烯层与薄膜金属层构成正面电极，之后在该正面电极的表面制作抗反射层，以减少入射到太阳能电池的入射光的反射，增加光的吸收率，该抗反射层可以是单层的Si02层或TiO2层，也可以是由Si02层和TiO2层依次交替设置形成的多层结构，该抗反射层的厚度为10-100nm；
4)将上述形成有正面电极的砷化镓多结太阳能电池外延片通过黏附剂粘到一个刚性衬底(例如硅片，玻璃等)上，并通过化学腐蚀液(例如氨水)去除砷化镓多结太阳能电池外延片的砷化镓衬底；
5)去除砷化镓衬底后，采用另一种化学腐蚀液(例如磷酸，盐酸等)腐蚀掉牺牲层，牺牲层的作用是为了使砷化镓衬底腐蚀完全后停止腐蚀，避免都电池结构有损伤，牺牲层的材质包括GaAsP,化学腐蚀液可以对其选择性腐蚀，而不腐蚀外延结构中的其它材料；
6)通过电子束蒸发的方式在除去砷化镓衬底的一面(即砷化镓多结太阳能电池外延片的背面)沉积金属作为背面电极；
7)将形成有正面电极和背面电极的化镓多结太阳能电池外延片在氮气氛围、250℃-350℃条件下进行金属合金化处理；
8)采用有机溶液浸泡的方式除去刚性衬底，即可得到具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池。
需要说明的是，本发明中采用的有机溶液、腐蚀液等可以根据具有要求选择，其均可以采用现有已知的化学药品实现，均可以通过市购获得，在此不再赘述。
由于石墨烯材料具有高载流子迁移率、高透明性、高导电性等优异的光电特性，本发明利用石墨烯层作为砷化镓太阳能电池(即具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池)的正面电极，其可以有效地提高电极收集电流的能力，减小串联电阻，与传统的金属栅线电极相比可以降低遮光损失，有利于砷化镓太阳能电池获得更高的开路电压、短路电流以及光电转换效率。
石墨烯可以采用化学气相沉积法、机械剥离法、外延生长法、固相热解法、溶液氧化石墨烯以及聚合反应合成法等方法制备。特别的，采用溶液氧化石墨烯方法并经过还原制备的石墨烯可以大规模，低成本进行合成，同时利用如丝网印刷、喷墨涂布、喷墨印刷、卷对卷等制备技术进行大规模生产，石墨烯层的厚度可以为1-100nm且为柔性，改善了传统半导体金属氧化物透明电极易碎的问题；以及，与石墨烯钙钛矿基电池相比本发明提供的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池具有抗辐照性能强，稳定性好，效率高等优点。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于包括砷化镓太阳能电池外延结构以及分别设置在所述砷化镓太阳能电池外延结构第一面、第二面的第一电极、第二电极，其中，所述第一面和第二面相背对设置，所述第一电极为包含石墨烯层的全透明电极；
以及，所述砷化镓太阳能电池外延结构与所述石墨烯层之间还设置有高掺杂的砷化镓接触层，所述石墨烯层经所述砷化镓接触层与所述砷化镓太阳能电池外延结构形成欧姆接触。
2.根据权利要求1所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于：所述石墨烯层所含石墨烯的层数为1-10。
3.根据权利要求1所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于：所述石墨烯层的厚度为1-100nm。
4.根据权利要求1所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于：所述第一电极还包括设置在所述石墨烯层表面的薄膜金属层；优选的，所述薄膜金属层的材质包括铜、金、银、钛、铝中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述薄膜金属层厚度为1-10nm。
5.根据权利要求4所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于：所述第一电极的表面还设置有抗反射层；优选的，所述抗反射层包括Si02层、TiO2层、Al2O3层中的任意一层或两层以上的组合；优选的，所述抗反射层的厚度为10-100nm。
6.根据权利要求1所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于：所述砷化镓接触层的厚度为5-20nm；和/或，所述砷化镓接触层的掺杂浓度为1019-1020cm-3。
7.根据权利要求1所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池，其特征在于：所述砷化镓太阳能电池外延结构包括复数个子电池单元，所述子电池单元包括背场层、基区、反射区、窗口层。
8.如权利要求1-7中任一项所述的具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池的制作方法，其特征在于包括：
提供砷化镓太阳能电池外延结构，所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面具有砷化镓接触层，在所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面、第二面分别制作第一电极、第二电极，，所述第一面和第二面相背对设置，所述第一电极包括石墨烯层，并且所述石墨烯层经所述砷化镓接触层与所述砷化镓太阳能电池外延结构形成欧姆接触；
在保护性气氛中，将设置有第一电极和第二电极的砷化镓太阳能电池外延结构于250-350℃进行金属合金化处理2-10min。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于还包括：在所述石墨烯层表面制作薄膜金属层；和/或，所述制作方法还包括：在所述第一电极表面制作抗反射层。
10.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于具体包括：
1)提供正向或倒置生长的砷化镓太阳能电池外延结构，并在所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面形成高掺杂的砷化镓接触层，其中，所述砷化镓太阳能电池外延结构形成在砷化镓衬底上，所述砷化镓太阳能电池外延结构与砷化镓衬底之间还具有牺牲层；
2)提供石墨烯层，所述石墨烯层形成在金属衬底上，在所述石墨烯层上制作支撑层，除去所述金属衬底并将承载有石墨烯层的支撑层转移至所述砷化镓太阳能电池外延结构的第一面，并使所述石墨烯层与砷化镓接触层欧姆接触，之后除去所述的支撑层；
3)在所述石墨烯层上蒸镀金属形成薄膜金属层，所述石墨烯层与薄膜金属层共同构成第一电极，之后在所述第一电极表面制作抗反射层；
4)将所述砷化镓太阳能电池外延结构转移至刚性衬底上，并除去所述的砷化镓衬底以及牺牲层；
5)在所述砷化镓太阳能电池外延结构的第二面制作金属层作为第二电极；
6)在保护性气氛中，将所述形成有第一电极和第二电极的砷化镓太阳能电池外延结构于250-350℃进行金属合金化处理2-10min；
7)除去所述的刚性衬底，即获得所述具有石墨烯透明电极的柔性太阳能电池。
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