一种石墨烯太阳能电池的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种石墨烯太阳能电池,包括有增透膜、多层石墨烯正面电极、单层石墨烯栅线、外延片、多层石墨烯背面电极，所述增透膜、单层石墨烯栅线、外延片、多层石墨烯背面电极从上至下依次层叠设置；所述多层石墨烯正面电极对应设置在外延片上，并与所述单层石墨烯栅线处于外延片的同一侧面；所述多层石墨烯正面电极围着单层石墨烯栅线所形成的区域，并与其相连接；所述多层石墨烯正面电极上设置有金属接触点，并通过所述金属接触点引出金属引线。本实用新型采用单层石墨烯作为太阳能电池栅线，可以大幅度地减小栅线宽度和厚度，再加上石墨烯材料本身的高透光性，可以有效地减少栅线的光吸收，提高电池转换效率。
【专利说明】一种石墨烯太阳能电池
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及太阳能电池的【技术领域】，尤其是指一种石墨烯太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了越来越多国家的重视，开展太阳能电池研究、发展光伏发电产业对国家能源的可持续发展具有非常重要的意义。太阳能电池的面临的主要问题为光电转换效率较低，性价比不高，不能满足大规模民用的需求。目前，商用单晶硅电池的转化效率约为16%-20%，多晶硅电池约为14%-16% ；Ge衬底上外延生长晶格匹配的GalnP/GaAs/Ge三结太阳能电池500倍聚光下转化效率超过41%，远高于晶硅电池，且具有进一步提升空间。
[0003]太阳能电池的栅线和电极起收集和传输光生载流子的作用，优化栅线和电极结构与工艺是提高太阳能电池效率的重要技术方向之一。目前，大多采用沉积金属并高温退火形成欧姆接触来制作多节太阳能电池表面栅线和电极。但是，不透明的金属栅线会反射和吸收入射光线，从而减小太阳能电池的有效受光面积，进而降低单片电池输出功率。通常情况下，栅线遮挡面积约占电池有效受光面积的5%?15%。为了减少栅线和电极对光能的吸收和反射，有效利用更多光能，透明栅线和电极的相关研究成为太阳能电池【技术领域】热点之一。另外，较厚的金银等贵金属电极也加大了太阳能电池芯片的制备成本，减少其使用量意义重大。
[0004]目前常用的透明电极材料是ITO (氧化铟锡)，且已具备商业标准。而在实际应用中，ITO的化学稳定性较差、满足电学性能需要的ITO薄膜光吸收只有85%左右。且随着稀土元素In的不断开发利用，ITO将越来越昂贵，选择一种其替代材料显得非常必要。石墨烯是目前已知最薄(单原子层厚度约0.34nm)、却最坚硬的纳米材料(杨氏模量lTPa，固有强度130GPa))几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300W/m..K，室温电子迁移率大于15000cm2/V.s，均高于碳纳米管和金刚石，电阻率仅为10_6Ω.cm，为目前世上电阻率最小的材料。同时，石墨烯拥有极高的气密性，任何气体完全不能透过。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，远高于硅和铜等传统的半导体和导体。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板等。同时，它的高透光性和良好的导电性也非常适合作为透明导电层。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石墨烯太阳能电池，利用石墨烯材料的高电导率和高透光性，可以有效地缓解目前太阳能电池存在的栅线遮挡面积占电池有效受光面积较大、电极贵金属成本较高等问题。[0006]为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为:一种石墨烯太阳能电池，包括有增透膜、多层石墨烯正面电极、单层石墨烯栅线、外延片、多层石墨烯背面电极，其中，所述增透膜、单层石墨烯栅线、外延片、多层石墨烯背面电极从上至下依次层叠设置；所述多层石墨烯正面电极对应设置在外延片上，并与所述单层石墨烯栅线处于外延片的同一侧面；所述多层石墨烯正面电极围着单层石墨烯栅线所形成的区域，并与其相连接；所述多层石墨烯正面电极上设置有金属接触点，并通过所述金属接触点引出金属引线。
[0007]所述单层石墨烯栅线的宽度为2?15um，栅线间距为80?150um。
[0008]所述多层石墨烯正面电极和多层石墨烯背面电极的厚度为1.5?20um。
[0009]所述外延片为单节或多节结构，其所用材料为S1、Ge、InAs、GaAs、GaInAsN、ZnSeS、GaInP, InGaN、AlGaInP中的一种或几种组合，其衬底所用材料为S1、Ge、SiC、Al2O3中的一种。
[0010]所述增透膜为多层结构，其为MgF2/ZnS、Ta205/Al203、Ta205/Si02、Ti02/Si02 中的一种。
[0011]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果:
[0012]1、与现在所用金银等贵金属栅线材料相比，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收
2.3%的光，因此，采用单层石墨烯作为太阳能电池栅线，可以大幅度地减小栅线宽度和厚度，再加上石墨烯材料本身的高透光性，可以有效地减少栅线的光吸收，提高电池转换效率；
[0013]2、采用多层石墨烯材料作为电极代替厚的金银贵金属电极，可大幅度降低成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为本实用新型所述石墨烯太阳能电池的主视图。
[0015]图2为本实用新型所述石墨烯太阳能电池的剖视图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
[0017]参见图1和图2所示，本实施例所述的石墨烯太阳能电池，具体为矩形结构，包括有增透膜1、多层石墨烯正面电极2、单层石墨烯栅线3、外延片4、多层石墨烯背面电极5，其中，所述增透膜1、单层石墨烯栅线3、外延片4、多层石墨烯背面电极5从上至下依次层叠设置；所述多层石墨烯正面电极2对应设置在外延片4上，并与所述单层石墨烯栅线3处于外延片4的同一侧面；所述多层石墨烯正面电极2围着单层石墨烯栅线3所形成的区域(具体为图中的圆形区域)，并与其相连接；所述多层石墨烯正面电极2上设置有四个金属接触点6，并通过所述四个金属接触点6分别引出四条金属引线7，所述四个金属接触点6分布在多层石墨烯正面电极2的四个角处，如图1所示。
[0018]所述单层石墨烯栅线3的厚度约0.34nm，栅线宽度为2?15um，栅线间距为80?150umo
[0019]所述多层石墨烯正面电极2和多层石墨烯背面电极5的厚度为1.5?20um。
[0020]所述外延片4为单节或多节结构，其所用材料为S1、Ge、InAs、GaAs、GalnAsN、ZnSeS, GaInP, InGaN、AlGaInP中的一种或几种组合，其衬底所用材料为S1、Ge、SiC、Al2O3中的一种。
[0021]所述增透膜I 为多层结构，具体为 MgF2/ZnS、Ta205/Al203、Ta205/Si02、Ti02/Si02 中的一种。
[0022]以下为本实施例上述石墨烯太阳能电池的制备方法，其具体情况如下:
[0023]I)使用MOCVD或MBE生长单节或多节太阳能电池的外延片4，其衬底所用材料为S1、Ge、SiC、Al2O3 中的一种。
[0024]2)对所述外延片4的背面进行涂胶保护，对其正面进行表面酸洗，其中，所述酸洗采用如下两步清洗流程:①有机溶剂(甲苯、丙酮、酒精等)一去离子水一无机酸(盐酸、硫酸、硝酸、王水等)一氢氟酸一去离子水；②碱性过氧化氢溶液一去离子水一酸性过氧化氢溶液一去离子水。
[0025]3)采用微机械剥离法或者CVD法，将石墨烯薄膜转移至所述外延片4表面，或者直接生长在所述外延片4表面。
[0026]4)对所述外延片4依次进行正面匀胶，随后采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀光刻胶，并用显影液显影，形成由光刻胶构成的栅线图形。
[0027]5)用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV除胶仪器去除栅线区域以外的残胶。
[0028]6)利用光刻胶构成的栅线图形作为刻蚀掩模，用Matrix、RIE刻蚀机、UV仪器中的氧源，将栅线图形区域以外的石墨烯刻蚀干净，并在50°C的热丙酮中浸泡30分钟除去栅线图形上的起保护作用的光刻胶，形成所需的单层石墨烯栅线3。
[0029]7)对所述外延片4进行正面匀胶，随后采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀光刻胶，并用显影液显影，形成由光刻胶构成的台面图形。
[0030]8)用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV除胶仪器去除台面图形上方的残胶。
[0031]9)采用H3PO4系腐蚀液或柠檬酸系腐蚀液，对台面进行湿法腐蚀，将光刻胶构成的台面图形转移到所述外延片4上，形成台面隔离。
[0032]10)对所述外延片4进行正面匀胶，随后采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀光刻胶，并用显影液显影，形成由光刻胶构成的正面电极图形。
[0033]11)用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV除胶仪器去除正面电极图形上方的残胶。
[0034]12)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于光刻胶构成的正面电极图形上，并在50°C的热丙酮中浸泡30分钟除去正面电极图形以外的光刻胶和多层石墨烯材料，形成所需的多层石墨烯正面电极2。
[0035]13)将经过掺杂或碱金属碳酸盐处理过的多层石墨烯材料置于所述外延片的背面，形成所需的多层石墨烯背面电极5。
[0036]14)对所述外延片4依次进行正面匀胶，随后采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀光刻胶，并用显影液显影，形成由光刻胶构成的增透膜图形。
[0037]15)用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV除胶仪器去除增透膜图形上方的残胶。
[0038]16)采用CVD方法在所述单层石墨烯栅线3上制备增透膜，所述增透膜为多层结构，可为 MgF2/ZnS、Ta205/Al203、Ta205/Si02、Ti02/Si02 中的一种；并在 50°C 的热丙酮中浸泡30分钟除去增透膜以外的光刻胶，形成所需的增透膜I。
[0039]17)对所述外延片进行正面匀胶、采用光学光刻或者电子束直写的方法刻蚀光刻胶，并用显影液显影，形成由光刻胶构成的金属接触点图形。
[0040]18)用氧等离子体的Matrix或者是利用氧紫外线的UV除胶仪器去除金属接触点图形上方的残胶。
[0041]19)利用光刻胶作为刻蚀掩模，用Matrix、RIE刻蚀机、UV仪器中用氧源，对金属接触点图形的石墨烯材料进行刻蚀，同时破坏石墨烯材料的晶格结构，形成缺陷。
[0042]20)采用电子束蒸发或者溅射在形成缺陷的金属接触点图形上淀积金属；所述金属为 Ti/Au、Ti/Pt/Au、Ti/Al/Au、N1、Ni/Au、Cr/Au、Pd、Ti/Pd/Au、Pd/Au 中的一种。
[0043]21)采用热丙酮剥离金属接触点图形以外区域的光刻胶及金属，将样品浸泡在50°C的热丙酮中30分钟，在浸泡后除了源漏接触区域的金属，其它地方的金属都随着光刻胶的溶解而脱落，随后进行退火处理，退火温度为600-900°C，退火时间时间为30-200S，退火气氛可为N2和H2，形成欧姆接触，作为金属与多层石墨烯电极的金属接触点。
[0044]22)从所述金属接触点上引出金属引线，至此便完成石墨烯太阳能电池的制备。
[0045]综上所述，在采用以上方案后，采用单层石墨烯作为太阳能电池栅线，可以大幅度地减小栅线宽度和厚度，再加上石墨烯材料本身的高透光性(几乎是完全透明的，只吸收
2.3%的光)，可以有效地减少栅线的光吸收，从而提高电池转换效率，同时，采用多层石墨烯材料作为电极代替厚的金银贵金属电极，可大幅度降低成本。这相比现有技术，本实用新型可以有效避免常规金属栅线对光的吸收，从而提高太阳能电池效率，可靠性更高，值得推广。
[0046]以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1.一种石墨烯太阳能电池，其特征在于:包括有增透膜(I)、多层石墨烯正面电极(2)、单层石墨烯栅线(3)、外延片(4)、多层石墨烯背面电极(5)，其中，所述增透膜(I)、单层石墨烯栅线(3)、外延片(4)、多层石墨烯背面电极(5)从上至下依次层叠设置；所述多层石墨烯正面电极(2)对应设置在外延片(4)上，并与所述单层石墨烯栅线(3)处于外延片(4)的同一侧面；所述多层石墨烯正面电极(2)围着单层石墨烯栅线(3)所形成的区域，并与其相连接；所述多层石墨烯正面电极(2)上设置有金属接触点(6)，并通过所述金属接触点(6)引出金属引线(7)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯太阳能电池，其特征在于:所述单层石墨烯栅线(3)的宽度为2?15um，栅线间距为80?150um。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯太阳能电池，其特征在于:所述多层石墨烯正面电极(2)和多层石墨烯背面电极(5)的厚度为1.5?20um。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯太阳能电池，其特征在于:所述外延片(4)为单节或多节结构。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯太阳能电池，其特征在于:所述增透膜(I)为多层结构。
【文档编号】H01L31/0224GK203733813SQ201420034861
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年1月20日 优先权日:2014年1月20日
【发明者】张露, 张杨, 杨翠柏, 陈丙振, 万智, 丁杰, 王智勇, 吴步宁 申请人:瑞德兴阳新能源技术有限公司