專利名稱：一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池及其制造方法。
背景技術(shù)：
目前，世界經(jīng)濟的發(fā)展還是主要得益于化石能源的廣泛應(yīng)用。然而，這一經(jīng)濟的資源載體將在本世紀上半葉幾近枯竭。同時，大量使用化石能源已經(jīng)帶來了相當(dāng)嚴重的環(huán)境問題，其中最突出的是溫室效應(yīng)的加劇。全球能源危機與環(huán)境問題給各種新型清潔能源發(fā)展帶來了前所未有的機會。其中，太陽能發(fā)電具有很多不可比擬的優(yōu)勢。太陽能的能量巨大，取之不盡，用之不竭，分布范圍廣，適合全球大部分地區(qū)利用，使用材料安全可靠，無環(huán)境污染，具有很大的開發(fā)利用前景。太陽能光伏電池是基于光生伏特效應(yīng)，直接將光能轉(zhuǎn)化為電能。目前光伏電池多數(shù)是基于單晶硅的太陽能電池。由于集成電路的迅猛發(fā)展，硅加工工藝日趨成熟，目前單晶硅太陽能電池的效率已達到>20%，接近其極限效率。但是單晶硅太陽能電池的制備工藝復(fù)雜，能耗高，污染較大，成本也較為昂貴，因而為了實現(xiàn)光伏轉(zhuǎn)化效率與成本的折中，尋找新的光伏電池材料和簡化制備工藝已成為目前的研究趨勢。在新型光伏材料中，石墨烯表現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯是六角蜂窩狀排列的二維平面晶體，具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和機械性能，同時石墨烯電阻率低(幾十至幾百Ω / 口)，透光率高(97. 7% )，完全符合太陽能電池對前電極的性能要求。尤其是在大面積生產(chǎn)石墨烯已成為可能的情況下，石墨烯有望用來進一步降低太陽能電池的生產(chǎn)成本并提高太陽能電池效率。清華大學(xué)朱宏偉研究小組已研究出基于石墨烯/硅肖特基結(jié)光伏電池，其轉(zhuǎn)換效率達到 1.7 % (Graphene-On-Silicon Schottky Junction Solar Cells, Adv. Mater. 2743(2010)) 0雖然轉(zhuǎn)換效率并不高，但石墨烯/硅肖特基結(jié)已顯示出了在光伏電池應(yīng)用上的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)為制備工藝非常簡單，成本低，并且更加環(huán)保。文獻中石墨烯 /硅肖特基結(jié)采用平面結(jié)構(gòu)，而平面結(jié)構(gòu)往往不能有效的利用入射光能量，如平面硅在可見光范圍內(nèi)的反射率高達30%以上，造成了大量能量的損失。針對這一情況，采用非平面結(jié)構(gòu)能夠有效地減小入射光的反射。當(dāng)硅襯底不是平面而是硅柱陣列時，光線入射到硅柱陣列表面，入射光線在柱壁間進行多次反射，增長了光的傳播路徑，增強了半導(dǎo)體對入射光的吸收，從而有利于提高光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率。另外，由于石墨烯具有良好的柔韌性，能與整個硅柱(包括側(cè)壁)良好接觸，因而增大了有效結(jié)面積，產(chǎn)生更多的光生載流子，有利于提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提高石墨烯/硅肖特基結(jié)光伏電池效率，本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池及其制造方法，石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)的光伏電池只增加一步工藝，利用半導(dǎo)體本身結(jié)構(gòu)特點而不引入其他材料，制備工藝簡單，成本低，不僅有減反作用，還可以增大結(jié)面積，可獲得較高的能量轉(zhuǎn)換效率。為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的—種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池，包括單晶硅襯底1，單晶硅襯底1上面熱氧化生長有SiO2隔離層2，在單晶硅襯底1背面淀積有金屬背電極3，在SiO2隔離層2上開窗口形成有效結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)中制備有硅柱陣列4，在SiO2隔離層2的窗口周圍淀積有金屬前電極5，并將石墨烯薄膜6轉(zhuǎn)移或旋涂在硅柱陣列4上。一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池及其制造方法，包括以下步驟一、在單晶硅襯底1上熱生長SiO2作為SiO2隔離層2 ；二、濕法刻蝕單晶硅襯底1背面氧化層，并在單晶硅襯底1背面采用濺射或電子束蒸發(fā)金屬作為背電極3;三、通過濕法腐蝕正面SiO2隔離層2形成窗口，露出單晶硅襯底1表面，用于定義肖特基結(jié)面積和光照區(qū)域，在此區(qū)域中再通過光刻和干法刻蝕形成硅柱陣列4 ；四、采用剝離(lift-off)的方法在SiO2隔離層2的窗口周圍濺射或電子束蒸發(fā)金屬形成金屬前電極5;五、通過直接轉(zhuǎn)移或旋涂的方法將石墨烯薄膜6覆蓋到硅柱陣列4上，并與金屬前電極5相接觸，最終形成石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池。所述的單晶硅襯底1為η型，晶向為100或111，電阻率為2_3 Ω · cm。所述的SiO2隔離層2為采用熱氧化方法生長的SiO2,厚度為200-400nm。所述金屬背電極3采用的金屬材料為鈦(Ti)/鈀(Pd)/金(Au)或鈦(Ti)/鈀 (Pd) /銀(Ag)堆疊結(jié)構(gòu)，與單晶硅襯底1形成歐姆接觸。所述的硅柱陣列4是采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP)形成的圓柱、方柱或不規(guī)則柱形，陣列的排布方式是三角陣、方陣或不規(guī)則排列。所述金屬前電極5采用的金屬材料為鈦(Ti)/金(Au)堆疊結(jié)構(gòu)，與石墨烯6形成歐姆接觸。所述石墨烯6是通過CVD方法生長而直接轉(zhuǎn)移的，或是通過化學(xué)方法制備的石墨烯分散液通過旋涂得到的。所述的硅柱陣列4采用光刻和干法刻蝕的方法制備，刻蝕的方法選擇RIE或ICP。同現(xiàn)有平面結(jié)構(gòu)的石墨烯/硅肖特基結(jié)光伏電池相比，本發(fā)明具有以下幾個優(yōu)占.
^ \\\ ·1.硅柱陣列只需要一步光刻和刻蝕工藝，就可以使得入射光反射率大幅度降低；2.增大了石墨烯與硅的接觸面積，有利于太陽能電池效率的提高；綜合上述基于石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池材料及結(jié)構(gòu)特點，相比于單晶硅太陽能電池，其制備工藝簡化，成本降低，且更加綠色環(huán)保；相比于平面型的石墨烯/硅肖特基結(jié)光伏電池，在性能上具有較大提高，因而在光伏電池的應(yīng)用中具有更大的應(yīng)用潛能。本發(fā)明的有益效果為所述石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池可以和現(xiàn)有超大規(guī)模集成電路工藝兼容，易于大規(guī)模生產(chǎn)，具有制備工藝簡單，工藝成本低的優(yōu)點；參照圖 1，相比較平面硅結(jié)構(gòu)，石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池結(jié)構(gòu)在紫外可見光譜內(nèi)具有更小的反射系數(shù)，具有更大的結(jié)面積，從而可獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。


圖Ia是平面硅襯底的反射原理示意圖。圖Ib是本發(fā)明結(jié)構(gòu)具有減反作用的原理示意圖。圖加是本發(fā)明的制備過程示意圖。圖2b是硅柱陣列示意圖。圖2c是硅柱陣列的掃描電子顯微照片(SEM)截面圖。圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖如是圓形三角陣俯視示意圖。圖4b是圓形三角陣SEM照片。圖如是圓形方陣俯視示意圖。圖4d是圓形方陣SEM照片。圖如是方形三角陣俯視示意圖。圖4f是方形三角陣光學(xué)照片。圖4g是方形方陣俯視示意圖。圖4h是方形方陣光學(xué)照片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明的內(nèi)容。參照圖2(a)，基于石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池，包括單晶硅襯底1，單晶硅襯底1上面熱生長二氧化硅SiA隔離層2，單晶硅襯底1背面淀積金屬背電極3，在SiA 隔離層2上開窗口形成有效結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)中制備有硅柱陣列4，降低入射光反射率。在SW2 隔離層2的窗口周圍淀積有金屬前電極5，將石墨烯6轉(zhuǎn)移或旋涂到硅柱陣列4上。實施例一本實施例制作石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池時，首先將η型(100)電阻率 2-3 Ω · cm的單晶硅襯底1熱氧化，熱氧化生長300nm厚的SW2作為SW2隔離層2，采用濕法腐蝕的方法去除硅襯底1背面的氧化層，然后在單晶硅襯底1背面濺射金屬電極作為背電極3，背電極3為Ti/Pd/Au堆疊結(jié)構(gòu)，其厚度分別為lOnm，5nm，30nm。濕法刻蝕SiO2 隔離層2，形成窗口，露出硅表面，采用RIE的方法刻蝕硅表面形成硅柱陣列4，刻蝕時間為 60s。硅柱的直徑為2微米，高度為200納米，間距為2微米，最后采用電子束蒸發(fā)和剝離 (lift-off)的方法在隔離層窗口周圍制備金屬前電極5，金屬材料為Ti/Au，厚度分別為 IOnm和50nm。將CVD生長的石墨烯直接轉(zhuǎn)移到硅柱陣列4上，使石墨烯與硅柱接觸，并和金屬前電極5接觸，形成石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池。實施例二本實施例制作石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是采用ICP的方法刻蝕單晶硅襯底1形成硅柱陣列，硅柱的高度為620nm。實施例三本實施例制作石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是采用ICP的方法刻蝕單晶硅襯底1形成硅柱陣列，硅柱的高度為915nm。
實施例四本實施例制作石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是采用旋涂石墨烯分散液的方法在硅柱陣列4上涂覆一層石墨烯6，形成石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池。實施例五本實施例制作石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池，與實施例一相似，不同點是采用η型(111)單晶硅襯底。本文中的具體實施方式
僅是本發(fā)明的幾個比較典型實施例，但是這樣的描述并不用來以任何方式限定本發(fā)明，凡是使用石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池均屬于本發(fā)明范疇。圖1(a)所示的平面硅結(jié)構(gòu)具有較大的入射光反射損失，單晶硅襯底在紫外-可見光區(qū)域的反射率高達30%以上，而通過對平面硅襯底進行圖形化刻蝕，形成硅柱陣列，則可以使入射光在硅柱表面經(jīng)過多次反射，增大了對入射光的吸收，減小反射損失，如圖1(b) 所示。此外，這種結(jié)構(gòu)還能增大肖特基結(jié)面積，有利于提高太陽能電池效率。圖如-h是硅柱陣列4的形狀及排布示意圖及相應(yīng)的SEM照片。圖中的硅柱陣列 4是圓柱和方柱兩種形式，陣列的排布方式是三角陣和方陣。
權(quán)利要求
1.一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池，其特征在于，包括單晶硅襯底(1)，單晶硅襯底(1)上面熱氧化生長有SiO2隔離層(2)，在單晶硅襯底(1)背面淀積有金屬背電極 (3)，在SiO2隔離層(2)上開窗口形成有效結(jié)區(qū)，在結(jié)區(qū)中制備有硅柱陣列(4)，在SiO2隔離層(2)的窗口周圍淀積有金屬前電極(5)，并將石墨烯薄膜(6)轉(zhuǎn)移或旋涂在硅柱陣列(4) 上。
2.—種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，包括以下步驟一、在單晶硅襯底(1)上熱生長SiO2作為SiO2隔離層(2)；二、濕法刻蝕單晶硅襯底(1)背面氧化層，并在單晶硅襯底(1)背面采用濺射或電子束蒸發(fā)金屬作為背電極(3)；三、通過濕法腐蝕正面SiO2隔離層(2)形成窗口，露出單晶硅襯底(1)表面，用于定義肖特基結(jié)面積和光照區(qū)域，在此區(qū)域中再通過光刻和干法刻蝕形成硅柱陣列(4)；四、采用剝離(lift-off)的方法在SiO2隔離層(2)的窗口周圍濺射或電子束蒸發(fā)金屬形成金屬前電極(5)；五、通過直接轉(zhuǎn)移或旋涂的方法將石墨烯薄膜(6)覆蓋到硅柱陣列(4)上，并與金屬前電極(5)相接觸，最終形成石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述的硅柱陣列(4)是采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或電感耦合等離子體刻蝕(ICP) 形成的圓柱、方柱或不規(guī)則柱形，陣列的排布方式是三角陣、方陣或不規(guī)則排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述的單晶硅襯底(1)為η型，晶向為100或111，電阻率為2-3Ω · cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述的SiO2隔離層(2)為采用熱氧化方法生長的SiO2,厚度為200-400nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述石墨烯(6)是通過CVD方法生長而直接轉(zhuǎn)移的，或是通過化學(xué)方法制備的石墨烯分散液通過旋涂得到的。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述所述金屬背電極(3)采用的金屬材料為鈦(Ti)/鈀(Pd)/金(Au)或鈦(Ti)/ 鈀(Pd) /銀(Ag)堆疊結(jié)構(gòu)，與單晶硅襯底1形成歐姆接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述金屬前電極(5)采用的金屬材料為鈦(Ti)/金(Au)堆疊結(jié)構(gòu)，與石墨烯(6) 形成歐姆接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種石墨烯/硅柱陣列肖特基結(jié)光伏電池的制造方法，其特征在于，所述的硅柱陣列(4)采用光刻和干法刻蝕的方法制備，刻蝕的方法選擇RIE或ICP。
全文摘要
基于石墨烯/硅柱陣列肖特基光伏電池及其制造方法，在單晶半導(dǎo)體襯底上熱氧化生成氧化硅(SiO2)作為隔離層，腐蝕SiO2隔離層形成窗口并在窗口內(nèi)采用光刻和干法刻蝕的方法制備出硅柱陣列，在襯底背面蒸發(fā)金屬作為背電極，在隔離層上制備金屬前電極，最后將石墨烯轉(zhuǎn)移或旋涂到硅柱陣列上并與前電極相連；該太陽能電池結(jié)構(gòu)簡單，易于制備，不僅可以有效減少入射光的反射，而且增大了肖特基結(jié)接觸面積，從而達到提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率的目的。
文檔編號H01L31/0236GK102254963SQ20111021702
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月29日
發(fā)明者任天令, 馮婷婷, 吳德海, 宋睿, 朱宏偉, 李虓, 田禾, 謝丹 申請人:清華大學(xué)