專利名稱：一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機(jī)的出現(xiàn)，人們開始發(fā)現(xiàn)可再生能源的重要性，可再生能源成為了大家越來越關(guān)注的問題。太陽能作為其中一種可再生的清潔能源，在各個領(lǐng)域得到了相關(guān)的應(yīng)用。其中，太陽能電池的應(yīng)用尤為廣泛，當(dāng)前市場上的太陽能電池主要以硅基為主。硅太陽能電池主要分為單晶硅電池，多晶硅電池和非晶(微晶)硅薄膜電池三種，其中，硅薄膜電池具有制作材料消耗少，面積大，制作能耗低，成本低，近年來得到了迅速的發(fā)展。目前大面積大量生產(chǎn)的非晶硅薄膜太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5 8%，其單節(jié)硅薄膜電池的開路電壓為0. 8V左右。碳納米管(Carbon nanotube, CNT)是由一層或多層石墨烯卷曲而成、直徑為納米量級的管狀全碳分子。碳納米管是迄今合成的最黑材料，表明了碳納米管吸收太陽光的能力可比現(xiàn)有的所有材料都高。碳納米管可將吸收的光能轉(zhuǎn)變成電能，在碳納米管內(nèi)部產(chǎn)生光生電子-空穴對。Mewart DA等人的理論計算表明，碳納米管光電轉(zhuǎn)換的量子效率可達(dá) 18% (Stewart DA, et al. , Phys. Rev. Lett. ,93 :107401,2004 ；Nano Lett. ,5 :219,2005) 碳納米管的光電響應(yīng)的光譜范圍很寬，可以覆蓋從紫外光到紅外的全光譜范圍。韋進(jìn)全等人研究發(fā)現(xiàn)(Wei et al.，Small, 2 :988，2006)，碳納米管宏觀體具有很強(qiáng)的光生電流和光電導(dǎo)行為，如直徑為0. 39mm的碳納米管宏觀體，其光致電流可達(dá)mA量級，并且光致電流的響應(yīng)區(qū)間涵蓋了可見光和紅外光區(qū)。由此表明，碳納米管在入射光的輻照下可以激發(fā)電子躍遷，引起電子-空穴對的分離和遷移，產(chǎn)生光生載流子，從而形成光電流。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照射在雙壁和多壁碳納米管連接處或者碳納米管與金屬結(jié)時，碳納米管的光致電流明顯增強(qiáng)(Sun JL, et al.，Appl. Phys. Lett. ,88 :131107, 2006)。由此表明，如果構(gòu)建出適當(dāng)?shù)奶技{米管異質(zhì)結(jié)，便有可能大幅度提高光電流，構(gòu)成高效的太陽電池。研究人員已經(jīng)開展了碳納米管在無機(jī)異質(zhì)結(jié)太陽能電池、有機(jī)太陽能電池及染料敏化太陽能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作。韋進(jìn)全等人則利用P型碳納米管與η型硅，構(gòu)建了碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽電池太陽電池。本課題組將碳納米管薄膜與η型單晶硅結(jié)合，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其轉(zhuǎn)換效率在5 7% (Jia Y et al.，Advanced Materials，2008， 20,4594-4598)；而在異質(zhì)結(jié)界面上滴加稀硝酸或者稀硫酸，可以將碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率提高至13. 8% (Jia Y，et al.，Nano Letters，2011，11)。該碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)中，太陽光從碳納米管一側(cè)入射到異質(zhì)結(jié)表面；碳納米管薄膜均既作為異質(zhì)結(jié)的結(jié)材料，又充當(dāng)了透明導(dǎo)電的上電極。這些研究成果均已申請專利或者已獲得發(fā)明專利權(quán)授權(quán)(專利號ZL200610169827. 0)。研究人員也在嘗試用不同的方法對碳納米管-硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池進(jìn)行處理和改進(jìn)，以進(jìn)一步提高電池效率。為了降低太陽能電池的成本，研究人員將碳納米管與硅薄膜相結(jié)合，以構(gòu)成碳納米管-硅薄膜的異質(zhì)結(jié)太陽能電池。Gobbo SD等人(Gobbo SD, et al·，Applied PhysicsLetters 2011，98，183113)將單壁碳納米管分散到溶液中，然后與非晶薄膜結(jié)合，構(gòu)成了異質(zhì)結(jié)太陽能電池，但其性能很低，開路電壓為0. 2 0. 5V，轉(zhuǎn)換效率< 0. 1%，無法實際應(yīng)用。該電池為單結(jié)的異質(zhì)結(jié)電池，且碳納米管均位于硅薄膜的上表面，太陽光先穿透碳納米管薄膜，然后才照射在硅薄膜上，為了使太陽光盡可能多地照射在異質(zhì)結(jié)上，碳納米管薄膜不能太厚。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法。旨在利用碳納米管優(yōu)異的光學(xué)電學(xué)性能與硅薄膜電池相結(jié)合，以提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率， 同時降低太陽能電池的制作成本。本發(fā)明所提供的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其包括依序?qū)盈B的透明襯底(5)、透明導(dǎo)電薄膜G)、硅薄膜層(3)、碳納米管薄膜( 和背電極(1)；其中，所述硅薄膜層由至少兩層硅薄膜組成，其中的硅薄膜為非晶硅或微晶硅。所述碳納米管薄膜連續(xù)地覆蓋在硅薄膜層上方，用于吸收穿透硅薄膜的太陽光。 且與所述硅薄膜層構(gòu)成異質(zhì)結(jié)電池，同時與多層硅薄膜結(jié)構(gòu)成疊層太陽能電池。本發(fā)明中的硅薄膜層具體可選自下述任意一種PN型雙層硅薄膜、PIN型三層硅薄膜、NPN型三層硅薄膜和NPIN型四層硅薄膜。所述硅薄膜層的厚度可為0. 2 2 μ m。在薄膜疊層電池中，碳納米管(CNT)作為P+層，與上述硅薄膜構(gòu)成CNT/P+-P/N結(jié)構(gòu)的疊層電池，或者CNT/P+-P/I/N結(jié)構(gòu)的疊層電池，或者CNT/P+-N/P/N結(jié)構(gòu)的疊層電池，或者CNT/P+-N/P/I/N結(jié)構(gòu)的疊層電池。本發(fā)明中碳納米管薄膜具體可為單壁碳納米管薄膜、雙壁碳納米管薄膜或者多壁碳納米管薄膜，其厚度可為0. 05 2 μ m。該碳納米管在本發(fā)明的太陽能電池中既作為導(dǎo)電薄膜，也作為異質(zhì)結(jié)的組成部分，同時還作為重要的光電轉(zhuǎn)換材料。本發(fā)明中透明導(dǎo)電薄膜具體可為氧化銦錫薄膜、氧化鋅鋁薄膜、摻氟氧化錫或石墨烯等，其厚度為0. 1 2μπι。所述透明襯底可由玻璃等剛性材料制成，也可由有機(jī)物柔性材料，如塑料、PET等制成。所述背電極可由Al、Mo、Ag、Au、石墨烯等材料制成。制備上述碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池的方法，包括下述步驟1)在透明襯底上蒸鍍透明導(dǎo)電薄膜，并用導(dǎo)線引出；2)在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、P型硅薄膜，形成PN型雙層硅薄膜；或在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、I型硅薄膜、P型硅薄膜，形成PIN型三層硅薄膜；或在在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、P型硅薄膜、N型硅薄膜，形成 NPN型三層硅薄膜；或在在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、I型硅薄膜、P型硅薄膜、N型硅薄膜，形成NPIN型三層硅薄膜；3)將碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移至所述硅薄膜上，形成疊層電池；4)在所述碳納米管薄膜上制作背電極，并用導(dǎo)線引出，得到所述碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池。該碳納米管-硅薄膜疊層電池可以有效提高電池的開路電壓、轉(zhuǎn)換效率等，并且具有工藝簡單，成本低廉的特點。
本發(fā)明發(fā)明將碳納米管薄膜和多層硅薄膜結(jié)合起來，形成由碳納米管-硅薄膜以及硅薄膜本身組成的疊層電池。在該碳納米管-硅薄膜疊層電池中，太陽光從硅薄膜一側(cè)入射，碳納米管薄膜作為最后的吸光層，因此碳納米管薄膜可以較厚，以充分吸收太陽光。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有如下優(yōu)點和突出效果本發(fā)明中所用的碳納米管薄膜是一種柔性薄膜，能夠連續(xù)的鋪展到硅薄膜表面，構(gòu)成異質(zhì)結(jié)電池，與多層硅薄膜構(gòu)成疊層太陽能電池，提高了電池的開路電壓。碳納米管薄膜高導(dǎo)電性，有利于電荷的傳遞，能夠提高短路電流。此外，碳納米管薄膜提高了電池對紅外光，可見光的吸收，有助于提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率等。該碳納米管薄膜-硅薄膜疊層太陽能電池，其開路電壓可達(dá)1.3V，短路電流可達(dá)17mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)7. 0%，具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明提供的碳納米管薄膜-硅薄膜疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖中 1-背電極；2-碳納米管薄膜；3-PN結(jié)構(gòu)的硅薄膜層；4-透明導(dǎo)電薄膜；5-透明基底。圖2為本發(fā)明提供的碳納米管薄膜-硅薄膜疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖中 1-背電極；2-碳納米管薄膜；3-PIN結(jié)構(gòu)的硅薄膜層；4-透明導(dǎo)電薄膜；5-透明基底。圖3為本發(fā)明提供的碳納米管薄膜-硅薄膜疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖中 1-背電極；2-碳納米管薄膜；3-NPN結(jié)構(gòu)的硅薄膜層；4-透明導(dǎo)電薄膜；5-透明基底。圖4為本發(fā)明提供的碳納米管薄膜-硅薄膜疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖中 1-背電極；2-碳納米管薄膜；3-NPIN結(jié)構(gòu)的硅薄膜層；4-透明導(dǎo)電薄膜；5-透明基底。圖5為碳納米管轉(zhuǎn)移在硅薄膜上的掃描電鏡照片。圖6為實施例1制備的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)光源(AMI. 5， 100mff/cm2)下測試的電流密度-電壓曲線。圖7為實施例2制備的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)光源(AMI. 5， 100mff/cm2)下測試的電流密度-電壓曲線。圖8為實施例3制備的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池在標(biāo)準(zhǔn)光源(AMI. 5， 100mff/cm2)下測試的電流密度-電壓曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于此。下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。下述實施例中所采用的硅薄膜可從市場購買到的硅薄膜；也可以通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或者物理氣相沉積(PCVD)等方法制備。圖1為本發(fā)明一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖，該太陽能電池從下至上依次包括透明基底5、透明導(dǎo)電薄膜4、PN結(jié)構(gòu)的硅薄膜層3、碳納米管薄膜2和背電極1 ；先在透明基底5上蒸鍍透明導(dǎo)電薄膜4，然后依次沉積N型硅薄膜層、P型硅薄膜層 3，之后將碳納米管薄膜2轉(zhuǎn)移到P型硅薄膜上，蒸鍍背電極1。實施例1、碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池的制備及性能檢測1)在玻璃襯底上蒸鍍一層200nm厚的氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，并用導(dǎo)線引出；
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2)在透明導(dǎo)電薄膜上用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法依次沉積50nm厚N型非晶硅層，500nm厚I型非晶硅層和50nm厚P型非晶硅層；3)將厚度200nm的單壁碳納米管薄膜鋪展到P型非晶硅層上，并使碳納米管薄膜與硅薄膜緊密接觸；4)在碳納米管薄膜上蒸鍍20nm厚的鋁電極，并用導(dǎo)線引出，得到碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池。性能測試在標(biāo)準(zhǔn)光源(AMI. 5，100mff/cm2)下測試，測得所制備的太陽能電池的開路電壓為 1. 3V，短路電流為16. 7mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為7. 0%。實施例2、碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池的制備及性能檢測1)在玻璃襯底上蒸鍍一層IOOnm厚的氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜；幻在透明導(dǎo)電薄膜上用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法依次沉積500nm厚N型硅薄膜層、IOnm厚I型硅薄膜層和1500nm厚P型硅薄膜層；3)將厚度200nm的單壁碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移到P型硅層上；4)在碳納米管薄膜上蒸鍍20nm厚的鋁電極，并用導(dǎo)線引出，得到碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池。5)在掃描電鏡下進(jìn)行檢測與分析見附圖5性能測試在標(biāo)準(zhǔn)光源(AMI. 5，100mff/cm2)下測試，開路電壓為1. IV，短路電流為11. ImA/ cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為3.8%。實施例3、碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池的制備及性能檢測1)在玻璃襯底上蒸鍍一層200nm厚的氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜，并用導(dǎo)線引出；2)在透明導(dǎo)電薄膜上用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法依次沉積IOOnm厚N型非晶硅層，800nm厚I型非晶硅層，IOOnm厚P型非晶硅層和50nm厚N型非晶硅層；3)將厚度300nm的單壁碳納米管薄膜鋪展到N型非晶硅層上，并使碳納米管薄膜與硅薄膜緊密接觸；4)在碳納米管薄膜上蒸鍍50nm厚的鋁電極，并用導(dǎo)線引出，得到碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池。性能測試在標(biāo)準(zhǔn)光源(AMI. 5，100mff/cm2)下測試，測得所制備的太陽能電池的開路電壓為 1. 6V，短路電流為4. 6mA/cm2，轉(zhuǎn)換效率為5. 7%。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其包括依序?qū)盈B的透明襯底、透明導(dǎo)電薄膜、硅薄膜層、碳納米管薄膜和背電極，其特征在于所述硅薄膜層由至少兩層硅薄膜組成， 所述硅薄膜層中的硅為非晶硅或微晶硅；所述硅薄膜層與所述碳納米管薄膜構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于所述硅薄膜層選自下述任意一種PN型雙層硅薄膜、PIN型三層硅薄膜、NPN型三層硅薄膜和NPIN型四層硅薄膜；所述硅薄膜層的厚度為0. 2 2 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于所述硅薄膜層為PN型雙層硅薄膜，所述PN型雙層硅薄膜中的P層與所述碳納米管薄膜結(jié)合形成 CNT/P+-P/N結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于所述硅薄膜層為PIN型三層硅薄膜，所述PIN型三層硅薄膜中的P層與所述碳納米管薄膜結(jié)合形成 CNT/P+-P/I/N結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于所述硅薄膜層為NPN型三層硅薄膜，所述NPN型三層硅薄膜中的N層與所述碳納米管薄膜結(jié)合形成 CNT/P+-N/P/N結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于所述硅薄膜層為NPIN型四層硅薄膜，所述NPIN型四層硅薄膜中的N層與所述碳納米管薄膜結(jié)合形成CNT/P+-N/P/I/N結(jié)構(gòu)的疊層太陽能電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于 所述碳納米管薄膜為單壁碳納米管薄膜、雙壁碳納米管薄膜或者多壁碳納米管薄膜，其厚度為0. 05 2μπι。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池，其特征在于 所述透明導(dǎo)電薄膜為氧化銦錫薄膜、氧化鋅鋁薄膜、摻氟氧化錫薄膜或石墨烯薄膜，其厚度為0. 1 2μπι ；所述透明襯底由剛性材料或柔性材料制成；所述背電極由Al、Mo、Ag、Au或石墨烯制成。
9.制備權(quán)利要求2-8中任一項所述碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池的方法，包括下述步驟1)在透明襯底上蒸鍍透明導(dǎo)電薄膜，并用導(dǎo)線引出；2)在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、P型硅薄膜，形成PN型雙層硅薄膜；或在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、I型硅薄膜、P型硅薄膜，形成PIN型三層硅薄膜；或在在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、P型硅薄膜、N型硅薄膜，形成NPN型三層硅薄膜；或在在所述透明導(dǎo)電薄膜上依次沉積N型硅薄膜、I型硅薄膜、P型硅薄膜、N 型硅薄膜，形成NPIN型三層硅薄膜；3)將碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移至所述硅薄膜上，形成疊層電池；4)在所述碳納米管薄膜上制作背電極，并用導(dǎo)線引出，得到所述碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳納米管-硅薄膜疊層太陽能電池及其制備方法。該疊層電池太陽能電池，其包括依序?qū)盈B的透明襯底、透明導(dǎo)電薄膜、硅薄膜層、碳納米管薄膜和背電極，所述硅薄膜層由至少兩層硅薄膜組成，所述硅薄膜層中的硅為非晶硅或微晶硅；所述硅薄膜層與所述碳納米管薄膜構(gòu)成異質(zhì)結(jié)。所述硅薄膜可以為PN雙層薄膜、PIN三層薄膜、NPN三層薄膜或者NPIN四層薄膜。在薄膜疊層電池中，碳納米管作為P+層，與上述硅薄膜構(gòu)成CNT/P+-P/N結(jié)構(gòu)的疊層電池，或者CNT/P+-P/I/N結(jié)構(gòu)的疊層電池，或者CNT/P+-N/P/N結(jié)構(gòu)的疊層電池，或者CNT/P+-N/P/I/N結(jié)構(gòu)的疊層電池。該碳納米管-硅薄膜疊層電池可以有效提高電池的開路電壓、轉(zhuǎn)換效率等，并且具有工藝簡單，成本低廉的特點。
文檔編號H01L31/20GK102437226SQ20111041452
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者吳德海, 朱宏偉, 王昆林, 王紅光, 白曦, 賈怡, 韋進(jìn)全 申請人:清華大學(xué)