一種電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽電池及其制備方法，尤其是一種電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池及其制備方法，屬于太陽能光伏發(fā)電技術領域。
【背景技術】
[0002]太陽能發(fā)電作為有前景的潔凈新能源，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，晶體硅太陽電池占據(jù)著市場的主導地位，經(jīng)過多年的發(fā)展，工藝逐漸成熟，商業(yè)電池的效率接近實驗室最高轉換效率。此外，晶體硅電池工藝比較復雜，歷經(jīng)硅料提純、晶體生長到電池片的制備流程。尋求發(fā)展新的電池結構和技術，成為研宄和產(chǎn)業(yè)界亟待解決的難題。自從石墨烯二維原子材料發(fā)現(xiàn)以來，研宄表明，石墨烯具有極高的載流子迀移率、高的透光率和良好的導電性。而且，石墨烯狄拉克點附近的態(tài)密度低，其費米能級可以實現(xiàn)較大的調(diào)節(jié)。石墨烯有望在光電子器件領域帶來重要的應用。
[0003]石墨烯與其它的二維材料(如二硫化鉬等)可形成異質結，具有光伏效應。但由于二維材料低的光吸收度，電池轉化效率比較低。石墨烯與體半導體形成的異質結，可以實現(xiàn)較高的轉換效率。目前研宄較多的是石墨烯與硅異質結太陽電池，實驗室最高效率已到15.6%。由于硅是間接帶隙半導體，II1- V族半導體是直接帶隙，較小的厚度就能吸收大部分的光。其中，磷化銦材料比硅更能抵抗空間輻射損傷。因此，本發(fā)明提出石墨烯與磷化銦形成的異質結及太陽電池。此外，石墨烯可以通過化學摻雜改變費米能級，調(diào)節(jié)異質結的勢皇，但化學法通常不夠穩(wěn)定。本發(fā)明提出，通過電場摻雜調(diào)控的石墨烯/磷化銦異質結太陽電池，并通過簡單的工藝實現(xiàn)器件的制備，并獲得可調(diào)節(jié)的高的電池轉換效率。
[0004]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種光電轉化效率高，工藝簡單的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池及其制備方法。
[0006]本發(fā)明的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，自下而上依次有背面電極、η型摻雜或P型摻雜的磷化銦層、石墨烯層、絕緣介質層和柵極，所述的太陽電池還設有正面電極，正面電極設置在石墨烯層上。
[0007]上述技術方案中，所述的石墨烯層中的石墨烯為1-10層。
[0008]所述的絕緣介質層是A1203、S12, SiNx, T12, SiC、S1N、HfO2, A1N、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚苯乙烯(PS)和氮化硼中的一種或幾種的疊層。
[0009]所述的絕緣介質層的厚度為lnm-100 μ m。
[0010]所述的背面電極是金、鈀、銀、鈦、鉑、鉻、鎳、摻銦氧化錫(IT0)、摻氟氧化錫(FTO)和鋁摻雜氧化鋅(AZO)中的一種或者幾種的復合電極。
[0011]所述的正面電極是金、鈀、銀、鈦、銅、鉑、鉻、鋁、IT0、FT0和AZO中的一種或者幾種的復合電極。
[0012]所述的柵極是金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、石墨烯、AZO、ITO和FTO中的一種或者幾種的復合電極。
[0013]制備上述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池的方法，包括如下步驟:
1)在潔凈的η型摻雜或P型摻雜的磷化銦片的一面制作背面電極；
2)將步驟I)處理的磷化銦片在化學溶液中進行清洗去除表面雜質，取出并干燥；
3)將石墨烯轉移至步驟2)所得磷化銦片的另一面上，在磷化銦片上得到石墨烯層；
4)在石墨烯層上制作正面電極，并預留生長絕緣介質層的面積；
5)在石墨烯層上預留面積處制作絕緣介質層；
6)在絕緣介質層上制作柵極。
[0014]上述技術方案中，步驟2)中化學溶液為氨水或者乙醇、丙酮、異丙醇、鹽酸、硫酸和雙氧水中的一種或幾種的混合溶液。
[0015]本發(fā)明與【背景技術】相比具有的有益效果是:
本發(fā)明的電場調(diào)控石墨烯/磷化銦太陽電池可以通過外加電場調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級位置，即可通過電場控制石墨烯的摻雜特性，從而改變石墨烯/磷化銦異質結的勢皇差，進而調(diào)節(jié)石墨烯/磷化銦太陽電池的光電轉化效率，獲得轉化效率更高的石墨烯/磷化銦太陽電池。本發(fā)明的制備工藝簡單，便于實現(xiàn)。
[0016]【附圖說明】:
圖1為石墨烯/磷化銦太陽電池的結構示意圖；
圖2為電場調(diào)控對石墨烯/p型磷化銦太陽電池效率的影響。
【具體實施方式】
[0017]以下結合附圖進一步說明本發(fā)明。
[0018]參照圖1，本發(fā)明的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池自下而上依次有背面電極1、磷化銦層2、石墨烯層3、絕緣介質層5和柵極6，所述的太陽電池還設有正面電極4，正面電極4設置在石墨烯層3上。
[0019]實施例1
1)在潔凈的P型摻雜磷化銦片一面上利用電子束蒸發(fā)法沉積鉻、金復合電極；
2)將得到的樣品浸入乙醇和丙酮混合溶液中進行表面清洗，去除表面雜質后取出并干燥；
3)將單層石墨烯轉移至2)處理的磷化銦片的另一面上；
4)在上述石墨烯上利用熱蒸發(fā)工藝沉積銀電極，并預留生長絕緣介質層的面積；
5)在上述預留面積處通過電子束蒸發(fā)沉積Al2O3薄膜，厚度為50nm;
6)在Al2O3薄膜上沉積1nm的金作為柵極。
[0020]電場調(diào)控對本例制得的石墨烯/p型磷化銦太陽電池效率的影響如圖2所示，可以看出:正柵極電壓下電池效率隨柵壓的提高而提高，負柵極電壓會引起電池效率的降低，這一結果說明電池轉化效率可以通過柵極電壓進行有效調(diào)節(jié)。
[0021]實施例2:1)在潔凈的P型摻雜磷化銦片一面上利用電子束蒸發(fā)法沉積鈦、銀復合電極； 2)將得到的樣品浸入質量濃度10%的HCl水溶液中進行表面清洗，去除表面雜質后取出并干燥；
3)將三層石墨烯轉移至2)處理的磷化銦片的另一面上；
4)在上述石墨烯上利用磁控濺射工藝沉積ITO電極，并預留生長絕緣介質層的面積；
5)在上述預留面積處通過化學氣相沉積制備SiCV薄膜，厚度為Inm;
6)在SiCV薄膜上沉積1nm的AZO作為柵極。
[0022]實施例3:
1)在潔凈的η型摻雜磷化銦片一面上利用磁控濺射沉積ITO電極；
2)將得到的樣品浸入氨水溶液中進行表面清洗，去除表面雜質后取出并干燥；
3)將10層石墨烯轉移至2)處理的磷化銦片的另一面上；
4)在上述石墨烯上蒸鍍鈀、金復合電極，并預留生長絕緣介質層的面積；
5)在上述預留面積處通過化學氣相沉積工藝制備SiNx薄膜，厚度為10nm；
6)在SiNx薄膜上轉移石墨稀作為柵極。
[0023]實施例4
1)在潔凈的η型摻雜磷化銦片一面上利用熱蒸發(fā)法沉積鈦、金復合電極；
2)將得到的樣品浸入濃硫酸和雙氧水混合溶液中進行表面清洗，去除表面雜質后取出并干燥；
3)將6層石墨烯轉移至2)處理的磷化銦片的另一面上；
4)在上述石墨烯上蒸鍍鉑、鉻、鋁復合電極，并預留生長絕緣介質層的面積；
5)在上述預留面積處通過化學氣相沉積工藝制備1nm厚度SiNjP60nm厚度S1 2疊層薄膜；
6)在SiCV薄膜上沉積10nm的ITO作為柵極。
[0024]實施例5
1)在潔凈的P型摻雜磷化銦片一面上利用磁控濺射沉積FTO電極；
2)將得到的樣品浸入氨水溶液中進行表面清洗，去除表面雜質后取出并干燥；
3)將4層石墨烯轉移至2)處理的磷化銦片的另一面上；
4)在上述石墨烯上濺射ITO電極，并預留生長絕緣介質層的面積；
5)在上述預留面積處通過旋涂工藝制備共100μ m厚的PDMS、PMMA復合薄膜；
6)在復合薄膜上沉積SOnm的鈦、銀復合電極作為柵極。
【主權項】
1.一種電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于自下而上依次有背面電極(l)、n型摻雜或P型摻雜的磷化銦層(2)、石墨烯層(3)、絕緣介質層(5)和柵極(6)，所述的太陽電池還設有正面電極(4 )，正面電極(4 )設置在石墨烯層(3 )上。
2.根據(jù)權利要求1所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于所述的石墨稀層(3)中的石墨稀為1-10層。
3.根據(jù)權利要求1所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于所述的絕緣介質層(5)是 Al2O3' Si02、SiNx、Ti02、SiC, S1N, HfO2, A1N、PDMS, PMMA, PET、PC、PS 和氮化硼中的一種或幾種的疊層。
4.根據(jù)權利要求1所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于所述的絕緣介質層(5)的厚度為lnm-100 μ m。
5.根據(jù)權利要求1所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于所述的背面電極(I)是金、鈀、銀、鈦、鉑、鉻、鎳、ITO、FTO和AZO中的一種或者幾種的復合電極。
6.根據(jù)權利要求1所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于所述的正面電極(4)是金、鈀、銀、鈦、銅、鉑、鉻、鋁、ΙΤ0、FTO和AZO中的一種或者幾種的復合電極。
7.根據(jù)權利要求1所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，其特征在于所述的柵極(6)是金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、石墨烯、AZO、ITO和FTO中的一種或者幾種的復合電極。
8.制備如權利要求1-7任一項所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池的方法，其特征在于包括如下步驟: 1)在潔凈的η型摻雜或P型摻雜的磷化銦片(2)的一面制作背面電極(I); 2)將步驟I)處理的磷化銦片在化學溶液中進行清洗去除表面雜質，取出并干燥； 3)將石墨烯轉移至步驟2)所得磷化銦片的另一面上，在磷化銦片上得到石墨烯層(3)； 4)在石墨烯層(3)上制作正面電極(4)，并預留生長絕緣介質層(5)的面積； 5)在石墨稀層(3)上預留面積處制作絕緣介質層(5)； 6)在絕緣介質層(5)上制作柵極(6)。
9.根據(jù)權利要求8所述的電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池的制備方法，其特征在于步驟2)中所述的化學溶液為氨水或者乙醇、丙酮、異丙醇、鹽酸、硫酸和雙氧水中的一種或幾種的混合溶液。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電場調(diào)控的石墨烯/磷化銦太陽電池，該石墨烯/磷化銦太陽電池自下而上依次有背面電極、磷化銦層、石墨烯層、絕緣介質層和柵極，所述的太陽電池還設有正面電極，正面電極設置在石墨烯層上。其制備步驟包括：先在潔凈的磷化銦基底一面制作背面電極；然后去除沾污；再將石墨烯轉移至磷化銦片上；在石墨烯上制作正面電極；再在石墨烯上制作絕緣介質層；最后在絕緣介質層上制作柵極。本發(fā)明的電場調(diào)控石墨烯/磷化銦太陽電池可以通過外加電場調(diào)節(jié)石墨烯的費米能級位置，從而改變石墨烯/磷化銦異質結的勢壘差，進而調(diào)節(jié)石墨烯/磷化銦太陽電池的光電轉化效率。
【IPC分類】H01L31-18, H01L31-074
【公開號】CN104851935
【申請?zhí)枴緾N201510162547
【發(fā)明人】林時勝, 王朋, 李曉強, 章盛嬌, 徐志娟, 吳志乾, 徐文麗
【申請人】浙江大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年4月8日