一种肖特基太阳能电池及其制备方法与流程

本发明涉及半导体器件领域，具体的涉及一种肖特基太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

现如今随着煤、石油能源资源的衰竭和环境污染日益趋重，研究绿色再生新能源已然成为目前和未来科研工作的重中之重。而太阳能电池是利用光电转换技术，将太阳能直接转换为电能已满足日常供电需求。这是目前解决能源危机和环境污染的最有效途径之一。早在1876年，英国科学家在研究半导体材料时发现：当用太阳光照射半导体材料时，如同伏特电池一样会产生电流，光生伏特效应从此被人们所关注。随后，美国贝尔实验室研制出世界上第一块实用的半导体太阳能电池，从此拉开现代太阳能光电的研究、开发和应用的序幕。对于传统的硅基太阳能电池上人们已经展开了大量的研究，但是因为工艺复杂及加工温度高，硅基电池制造成本一直居高不下，难以与常规能源相抗衡。近些年来石墨烯因其优异的光电特性多用于太阳能电池的透明电极以取代当前使用的ITO薄膜，石墨烯和n型半导体结合的肖特基结光电池，因工艺简便、工艺成本低，逐渐受到研究者的关注。

对于太阳能电池来说，最关键的技术指标是光电转换效率，所以提高太阳能电池光电转换效率是重中之重。目前提高太阳能电池光电转换效率的方式主要有两种：一是提高太阳能电池的内量子效率，石墨烯/半导体太阳能电池中主要通过使用掺杂的方式提高石墨烯的功函数，增大半导体内部的内建电场和分离电子、空穴的空间电荷区的宽度；二是提高太阳能电池光吸收的效率，提高外量子效率，通常使用表面微结构或者特殊的纳米光学图形。增加太阳能电池的内量子效率还有一种非常重要的途径，就是提高材料和界面质量。专利名称为一种石墨烯太阳能电池及其制备方法，其申请号为CN201110346445.1，通过在衬底表面沉积金属薄膜然后在其表面沉积半导体薄膜，接着将石墨烯薄膜转移至半导体薄膜表面，最后在石墨烯薄膜上沉积金属薄膜作为上电极，得到石墨烯薄膜与半导体薄膜间的异质结，通过金属电极引出从而形成一种石墨烯太阳能电池。由于转移石墨烯不可避免的会引入杂质，会影响太阳能电池的性能，对于石墨烯/半导体太阳能电池界面质量非常重要，因此为了解决上述问题，如何提高材料和界面质量从而制备一种光电转换效率高、生产成本低的肖特基太阳能电池是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述问题提供了一种肖特基太阳能电池及其制备方法，通过在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化碳薄膜的无定形碳生成石墨烯，避免了阳极石墨烯层和半导体直接接触，从而提高半导体内部分离电子和空穴的能力，提高界面质量，使肖特基太阳能电池具有较高的光电转换效率。

为了达到以上目的，通过以下技术方案实现：一种肖特基太阳能电池，其短路电流为350-480mA/cm²，开路电压为0.44-0.78 V，转换效率为10.2%-16.1%，包括背电极、正电极栅线、半导体层，还包括无定形碳薄膜Ⅰ和在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成的石墨烯层，无定形碳薄膜Ⅰ位于半导体层和石墨烯层间；半导体层正面为无定形碳薄膜Ⅰ，背面为背电极；石墨烯层正面的窗口四周有正电极栅线，所述的石墨烯层为阳极。

进一步的，所述的背电极为利用电子束蒸发技术或磁控溅射方法在半导体层背面镀上包括 Al、Ag中的任意一种或二种的金属，其厚度为300-3000nm；所述的正电极栅线为在石墨烯层正面的0.1~0.5cm²窗口四周使用光刻技术制作的导电银胶或者含有Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al、Ni/Al中其中任意一种的金属薄膜，其厚度为300-3000nm。

进一步的，所述的半导体层包括衬底和半导体，所述的半导体为晶体硅、砷化镓、锗、氮化镓中的任意一种，半导体层的厚度为10-300µm，所述的无定形碳薄膜Ⅰ的厚度为1.4-59.7nm，石墨烯层的厚度为0.3-0.6nm。

进一步的，所述的无定形碳薄膜Ⅰ的制备方法:通过利用磁控溅射系统，所用靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70 sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射厚度为2-60nm的具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜，气体流量为10-30 sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；然后通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，石墨烯层和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ，其厚度为1.4-59.7nm，最后用铜腐蚀液腐蚀0.5-3小时将铜薄膜腐蚀掉即可。

进一步的，所述的石墨烯层的生成方法是通过利用磁控溅射系统，所用靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70 sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射厚度为2-60nm的具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜，气体流量为10-30 sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；然后通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，其厚度为0.3-0.6nm。

一种肖特基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

a: 准备一半导体层即在衬底上覆盖半导体，然后用丙酮和酒精混合溶液在超声波中超声20-35分钟，再用去离子水反复冲洗若干次将丙酮和酒精冲洗掉，氮气吹干后备用；

b:对上述吹干后的半导体层正面采用磁控溅射系统，靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，在半导体层上溅射具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备铜薄膜；然后通过CVD技术进行退火热处理，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，石墨烯层和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ，通过用铜腐蚀液腐蚀0.5-3小时将铜薄膜腐蚀掉，再用去离子水反复冲洗2-5次，备用；

c:最后在石墨烯层正面的0.1~0.5cm²窗口四周使用光刻技术制作正电极栅线，再在半导体层背面利用电子束蒸发技术或磁控溅射方法镀上背电极，即具有短路电流为350-480mA/cm²、开路电压为0.44-0.78 V、转换效率为10.2%-16.1%的肖特基太阳能电池完成制备。

进一步的，所述的半导体层的厚度为10-300µm，碳薄膜的厚度为2-60nm，铜薄膜的厚度为100-600nm，石墨烯层的厚度为0.3-0.6nm，所述的无定形碳薄膜Ⅰ的厚度为1.4-59.7nm。

进一步的，所述的在半导体层上溅射具有绝缘性、高透光率的碳薄膜的磁控溅射条件为溅射气体为氩气，气体流量为50-70 sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；在碳薄膜上原位溅射铜薄膜时所用的气体流量为10-30sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；CVD技术进行退火热处理时所用气压为100Pa，通入氩气与氢气流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟；所述的铜腐蚀液为10-30%的盐酸溶液和0.01-0.03wt%双氧水溶液的混合液或Fecl₃溶液。

进一步的，所述的正电极栅线是导电银胶或者含有Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al、Ni/Al中其中任意一种的金属薄膜，其厚度为300-3000nm；所述的背电极为 Al、Ag中的任意一种或二种的金属，背电极的厚度为300-3000nm。

进一步的，所述的半导体为晶体硅、砷化镓、锗、氮化镓中的任意一种。

本发明具有以下有益效果：

通过一步直接在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化碳薄膜的无定形碳生成石墨烯，方法简单且方便，生成的石墨烯层厚度很薄，作为阳极，和半导体内部可以发生隧穿效应，使得该肖特基太阳能电池中的半导体内自由载流子将发生更剧烈的移动，产生更大的内建电势和更大的内建电压，从而提高半导体内部分离电子和空穴的能力，产生更大的开路电压，同时无定形碳薄膜Ⅰ避免了石墨烯和半导体直接接触，避免了界面处产生复合中心，减小了肖特基太阳能电池的漏电流，从而提高肖特基太阳能电池的短路电流，且无定形碳薄膜Ⅰ具有绝缘性和高透光率，不具有自由载流子，使得该肖特基太阳能电池具有很高的光电转换效率，性能较好。

在肖特基太阳能电池制备方法中步骤c中对吹干后的半导体层正面采用磁控溅射系统，靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射的碳薄膜，此条件下溅射的碳薄膜的透光率较高，且具有绝缘性，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜，气体流量为10-30sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，此环境中制备的铜薄膜具有较好的性能特别是催化性能；这样在真空腔中完成溅射碳薄膜和铜薄膜，避免了引入污染，有利于后面工作提高石墨烯质量及石墨烯、碳、半导体之间的界面质量；步骤c中通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成的单层或多层石墨烯即为石墨烯层，石墨烯层和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ，此方法有利于使制备的肖特基太阳能电池具有性能优异的石墨烯层和无定形碳薄膜Ⅰ，从而提高肖特基太阳能电池的光电转换效率。

附图说明

图1为本发明实施例1的石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池的结构示意图；

图2-7为本发明实施例1的石墨烯/无定型碳/氧化硅肖特基太阳能电池的制备流程图；

附图标记:1- N型单晶硅衬底1，2-二氧化硅薄膜，3-碳薄膜，4-铜薄膜，5-石墨烯层，6-无定形碳薄膜Ⅰ 7-铝金属，8-导电银胶。

具体实施方式

一种肖特基太阳能电池，其短路电流为350-480mA/cm²，开路电压为0.44-0.78 V，转换效率为10.2%-16.1%，包括背电极、正电极栅线、半导体层，还包括无定形碳薄膜Ⅰ和在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成的石墨烯层，无定形碳薄膜Ⅰ位于半导体层和石墨烯层间；半导体层正面为无定形碳薄膜Ⅰ，背面为背电极；石墨烯层正面的窗口四周有正电极栅线，所述的石墨烯层为阳极。

进一步的，所述的背电极为利用电子束蒸发技术或磁控溅射方法在半导体层背面镀上包括 Al、Ag中的任意一种或二种的金属，其厚度为300-3000nm；所述的正电极栅线为在石墨烯层正面的0.1~0.5cm²窗口四周使用光刻技术制作的导电银胶或者含有Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al、Ni/Al中其中任意一种的金属薄膜，其厚度为300-3000nm。

进一步的，所述的半导体层包括衬底和半导体，所述的半导体为晶体硅、砷化镓、锗、氮化镓中的任意一种，半导体层的厚度为10-300µm，所述的无定形碳薄膜Ⅰ的厚度为1.4-59.7nm，石墨烯层的厚度为0.3-0.6nm。

进一步的，所述的无定形碳薄膜Ⅰ的制备方法:通过利用磁控溅射系统，所用靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射厚度为2-60nm的具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜，气体流量为10-30sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；然后通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，石墨烯层和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ，其厚度为1.4-59.7nm，最后用铜腐蚀液腐蚀0.5-3小时将铜薄膜腐蚀掉即可。

进一步的，所述的石墨烯层的生成方法是通过利用磁控溅射系统，所用靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射厚度为2-60nm的具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜，气体流量为10-30 sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；然后通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，其厚度为0.3-0.6nm。

一种肖特基太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

a: 准备一半导体层即在衬底上覆盖半导体，然后用丙酮和酒精混合溶液在超声波中超声20-35分钟，再用去离子水反复冲洗若干次将丙酮和酒精冲洗掉，氮气吹干后备用；

b:对上述吹干后的半导体层正面采用磁控溅射系统，靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，在半导体层上溅射具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备铜薄膜；然后通过CVD技术进行退火热处理，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，石墨烯层和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ，通过用铜腐蚀液腐蚀0.5-3小时将铜薄膜腐蚀掉，再用去离子水反复冲洗2-5次，备用；

c:最后在石墨烯层正面的0.1~0.5cm²窗口四周使用光刻技术制作正电极栅线，再在半导体层背面利用电子束蒸发技术或磁控溅射方法镀上背电极，即具有短路电流为350-480mA/cm²、开路电压为0.44-0.78 V、转换效率为10.2%-16.1%的肖特基太阳能电池完成制备。

进一步的，所述的半导体层的厚度为10-300µm，碳薄膜的厚度为2-60nm，铜薄膜的厚度为100-600nm，石墨烯层的厚度为0.3-0.6nm，所述的无定形碳薄膜Ⅰ的厚度为1.4-59.7nm。

进一步的，所述的在半导体层上溅射具有绝缘性、高透光率的碳薄膜的磁控溅射条件为溅射气体为氩气，气体流量为50-70 sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；在碳薄膜上原位溅射铜薄膜时所用的气体流量为10-30 sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；CVD技术进行退火热处理时所用气压为100Pa，通入氩气与氢气流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟；所述的铜腐蚀液为10-30%的盐酸溶液和0.01-0.03wt%双氧水溶液的混合液或Fecl₃溶液。

进一步的，所述的正电极栅线是导电银胶或者含有Ti/Au、Ni/Au、Ti/Al、Ni/Al中其中任意一种的金属薄膜，其厚度为300-3000nm；所述的背电极为 Al、Ag中的任意一种或二种的金属，背电极的厚度为300-3000nm。

进一步的，所述的半导体为晶体硅、砷化镓、锗、氮化镓中的任意一种。

所述的半导体除了晶体硅、砷化镓、锗、氮化镓外还可为其他类型的半导体，所述的无定形碳薄膜Ⅰ为没有参加催化反应的碳薄膜，碳薄膜为无定型碳薄膜，所述的高纯度的石墨和铜是指石墨的纯度≥99.99%，铜的纯度≥99.99%。

为了更好地理解本发明，下面结合附图具体对本发明做进一步的描述:

实施例1

如图所示：一种肖特基太阳能电池即石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池，包括厚度为300-3000nm的铝金属即背电极、厚度为300-3000nm的导电银胶即正电极栅线和半导体层，半导体层通过在N型单晶硅衬底1上覆盖二氧化硅薄膜2制备而成，其厚度为10-300µm；还包括无定形碳薄膜Ⅰ和石墨烯层，无定形碳薄膜Ⅰ位于半导体层和石墨烯层间；半导体层正面为无定形碳薄膜Ⅰ，其厚度为1.7-59.7nm；背面为背电极，石墨烯层正面的窗口四周有正电极栅线；石墨烯层为阳极，其厚度为0.3nm。所述的石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池是指包括石墨烯层、无定型碳薄膜、二氧化硅薄膜的肖特基太阳能电池，其所述方式为该技术领域专业人员所熟知。

上述石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池制备方法如下所示，包括以下步骤：

a: 准备一厚度为10-300µm的半导体层即在N型单晶硅衬底1上覆盖二氧化硅薄膜2，然后将其用丙酮和酒精混合溶液在超声波中超声30分钟，再用去离子水反复冲洗若干次将丙酮和酒精冲洗掉，使用70-80℃热氮气吹干后备用如图2；

b:对上述吹干后的半导体层正面采用磁控溅射系统，靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射厚度为2-60nm的具有绝缘性、高透光率的碳薄膜3如图3，随后在碳薄膜3上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜4如图4，气体流量为10-30sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；然后通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜4和与铜薄膜接触的碳薄膜3间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层5，其厚度为0.3nm，石墨烯层5和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ6，其厚度为1.7-59.7nm，如图5，然后通过用铜腐蚀液腐蚀0.5-3小时将铜薄膜腐蚀掉，随后再用去离子水反复冲洗2-5次，如图6备用；其中铜腐蚀液为10-30%的盐酸溶液和0.01-0.03wt%双氧水溶液的混合液；

c:最后在石墨烯层正面的0.1~0.5cm²窗口四周涂上厚度为300-3000nm的导电银胶8，再在半导体层背面利用电子束蒸发技术或磁控溅射方法镀上厚度为300-3000nm的铝金属7，即石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池如图7完成制备，其短路电流为400-480mA/cm²，开路电压为0.44-0.65V，转换效率为13.1%-16.1%。

实施例2

一种肖特基太阳能电池即石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池，包括厚度为300-3000nm的铝金属即背电极、厚度为300-3000nm的导电银胶即正电极栅线和半导体层，半导体层通过在N型单晶硅衬底上覆盖二氧化硅薄膜制备而成，其厚度为10-300µm；还包括无定形碳薄膜Ⅰ和石墨烯层，无定形碳薄膜Ⅰ位于半导体层和石墨烯层间；半导体层正面为无定形碳薄膜Ⅰ，其厚度为1.4-59.7nm；背面为背电极，石墨烯层正面的窗口四周有正电极栅线；石墨烯层为阳极，其厚度为0.3-0.6nm；。

上述石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池制备方法如下所示，包括以下步骤：

a: 准备一厚度为10-300µm的半导体层即在N型单晶硅衬底1上覆盖二氧化硅薄膜，然后将其用丙酮和酒精混合溶液在超声波中超声30分钟，再用去离子水反复冲洗若干次将丙酮和酒精冲洗掉，使用70-80℃热氮气吹干后备用；

b:对上述吹干后的半导体层正面采用磁控溅射系统，靶材为高纯度的石墨和铜，溅射气体为氩气，气体流量为50-70sccm，气压为5.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A，在半导体层上溅射厚度为2-60nm的具有绝缘性、高透光率的碳薄膜，随后在碳薄膜上通过原位溅射制备厚度为100-600nm的铜薄膜，气体流量为10-30 sccm，气压为1.0Pa，溅射电压为250V-400V，溅射电流为0.02A；然后通过CVD技术进行退火热处理，气压为100Pa，通入氩气与氢气，流量分别为500-1500sccm、2-6sccm，退火温度为800-1050℃，退火时间为10-30分钟，升温速率为15℃/分钟，在铜薄膜和与铜薄膜接触的碳薄膜间催化生成单层或多层石墨烯即为石墨烯层，其厚度为0.3-0.6nm，石墨烯层和半导体层之间排列着的为无定形碳薄膜Ⅰ，其厚度为1.4-59.7nm，然后通过用铜腐蚀液腐蚀0.5-3小时将铜薄膜腐蚀掉，随后再用去离子水反复冲洗2-5次，备用；其中铜腐蚀液为Fecl₃溶液，且Fecl₃与水的体积比例为1:1；

c:最后在石墨烯层正面的0.1~0.5cm²窗口四周涂上厚度为300-3000nm的导电银胶，再在半导体层背面利用电子束蒸发技术或磁控溅射方法镀上厚度为300-3000nm的铝金属，即石墨烯/无定型碳/二氧化硅肖特基太阳能电池完成制备，其短路电流为370-480mA/cm²，开路电压为0.44-0.70 V，转换效率为11.2%-16.1%。