專利名稱：石墨基光伏電池的制作方法
石墨基光伏電池
背景技術(shù)：
光伏電池通過光電導(dǎo)材料內(nèi)的光子和電子的相互作用而將太陽光直接 轉(zhuǎn)換成電。為了制作光伏電池，通常為硅的光電導(dǎo)材料通過電接觸連接以形
成結(jié)。目前大部分硅基光伏電池為硅p-n結(jié)裝置。照射在電池上的光子被吸 收，并且因此引起電子空穴對(duì)的形成；穿越結(jié)在相反方向上運(yùn)動(dòng)的電子和空 穴產(chǎn)生電流。這些電接觸的格子產(chǎn)生聚集電流的電池陣列。在電池中產(chǎn)生的 DC電流取決于所涉及的材料以及入射在電池上的輻射能量和強(qiáng)度。
光伏電池已經(jīng)利用了很多年，并且可以預(yù)計(jì)未來的光伏利用將繼續(xù)增 加。光伏在全世界范圍內(nèi)利用的主要障礙是電池效率和電池成本。目前，大 多數(shù)光伏電池每瓦的成本尚未足夠低到使其與其它能源相竟?fàn)?。?dāng)前，工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)太陽能電池材料為晶體Si。然而，由于生產(chǎn)硅的工藝的材料密集性 (materials-intensiveness),塊體Si不太可能獲4f4氐于1美元/瓦的成本。同 樣，Si的內(nèi)電池效率(intrinsic cell e迅ciency )受熱動(dòng)力學(xué)的限制到小于30%。
太陽能電池效率受外部和內(nèi)在因素二者的限制。通過更好地設(shè)計(jì)和制造 電池模塊可以克服外部損耗，如由于反射和透明度(小的不透明性)引起的 損耗以及由于不完全接觸和泄漏引起的光生栽流子未完全收集引起的損耗。 然而，內(nèi)損耗必須通過能帶工程設(shè)計(jì)電池材料來克服。例如，即使可以消除 所有的外部損耗，對(duì)于最佳帶隙 1.35eV,由單一材料制作的理想電池的最 高效率也只有~31%， ( C. H. Henry, J. Appl. Phys. 51, 4494 (1980))這是因?yàn)?能量小于帶隙的太陽光子不能被吸收，而由于較高能量的光子所產(chǎn)生電子和 空穴的熱能化引起的能量散失可以產(chǎn)生熱，因此浪費(fèi)了能量。改善電池效率 的一個(gè)途徑是利用具有多帶隙材料的結(jié)合。通過III-V和Ge薄膜制作的多結(jié) 電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)接近40%的最高電池效率。然而，這些高效率的研究電池過于 昂貴而不能進(jìn)入常規(guī)電力市場(chǎng)。
最近，已經(jīng)提出了基于單壁碳納米管的肖特基勢(shì)壘電池。然而，也許不 太可能廉價(jià)地生產(chǎn)這種電池。
因此，需要新材料來增加電池效率并降低電池成本，以達(dá)到生產(chǎn)成本低
4于0.5美元/瓦的目標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括石墨基光伏電池以及由這些電池發(fā)電的方法。在這些光伏電 池中，空間分離的石墨堆疊體用作橋接電接觸的光伏材料，每個(gè)堆疊體都包 括多個(gè)垂直堆疊的半導(dǎo)體石墨烯片(graphene sheets )。石墨烯片或者"納米 帶，，具有納米級(jí)寬度尺寸，使得每片的帶隙取決于片的寬度。因此，通過將 具有不同寬度且由此具有不同帶隙的石墨烯片結(jié)合到光伏電池中，該電池可 以設(shè)計(jì)為有效吸收整個(gè)太陽光語。結(jié)果，可以有效、經(jīng)濟(jì)地制造光伏電池。
在基本實(shí)施例中，光伏電池包括第一接觸(或者一套第一接觸)，包 括第 一導(dǎo)電材料，石墨堆疊體中的納米帶與該第 一導(dǎo)電材料形成肖特基勢(shì)壘 (電子或者空穴的勢(shì)壘)；以及第二接觸(或者一套第二接觸)，包括第二導(dǎo) 電材料，石墨堆疊體中的納米帶與該第二導(dǎo)電材料形成對(duì)于相同載流子的較 小的肖特基勢(shì)壘、完全不形成肖特基勢(shì)壘或者形成相反載流子的肖特基勢(shì) 壘。在肖特基勢(shì)壘電池的一種形式中，第一導(dǎo)電材料為通常為金屬，具有比 納米帶低的功函數(shù)。結(jié)果，形成在第一導(dǎo)電材料與納米帶之間的結(jié)的特征在 于它們形成電子的肖特基勢(shì)壘。第二導(dǎo)電材料可以具有接近于納米帶的功函 數(shù)，使得在結(jié)處不形成肖特基勢(shì)壘。作為選擇，形成在第二導(dǎo)電材料與納米 帶之間的結(jié)的特征可在于.它們形成電子的肖特基勢(shì)壘，其小于第 一 導(dǎo)電材料 與納米帶之間的結(jié)形成的勢(shì)壘。在另一個(gè)選擇變化中，在第二導(dǎo)電材料與納 米帶之間的結(jié)處形成空穴的肖特基勢(shì)壘。在該變化中，第二導(dǎo)電材料選擇為 使其具有比納米帶更高的功函數(shù)。
通過將光伏電池暴露于能在石墨烯片中光生電荷載流子的輻射(例如， 太陽輻射)而可以利用光伏電池發(fā)電，由此產(chǎn)生電。然后，電可以傳輸給存 儲(chǔ)裝置或者用電裝置。
結(jié)合附圖，本發(fā)明進(jìn)一步的目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)通過下面的詳細(xì)描述將變 得明顯易懂。


在附圖中
圖1 (a)是示出在碳納米管(1 (a)-上圖)和碳納米帶(1 (a)-下圖)中電子束縛的示意圖。
圖1 (b) - (e)是碳納米帶的示意圖，碳納米帶具有不對(duì)稱的扶手椅 (armchair)構(gòu)造(1 (b))、對(duì)稱的Z字形構(gòu)造(1 (c))、對(duì)稱的扶手椅構(gòu) 造(1 (d))以及不對(duì)稱的Z字形構(gòu)造(1 (e))。 (c)和(d)中的垂直條分 別表示相對(duì)于(a)和(b)的垂直條切除右邊緣上的一排原子。
圖2示出了在接觸之前(2(a))以及三種材料接觸時(shí)(2 (b ))鈦接觸、 碳納米帶和金接觸的示意性能級(jí)圖。
圖3示出了石墨基肖特基勢(shì)壘光伏電池的俯視示意圖。圖中的每條垂直 線代表一個(gè)納米帶堆疊體。
圖4示出了在石墨基板上形成光伏電池的制造順序。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用光刻圖案化的石墨堆疊體作為有效率的和經(jīng)濟(jì)的光伏電池 的基本構(gòu)造單元。石墨基光伏電池的基本設(shè)計(jì)包括多個(gè)空間分離的石墨堆疊 體，其每一個(gè)都包括橋接導(dǎo)電接觸的多個(gè)垂直堆疊的半導(dǎo)體石墨烯片(碳納 米帶)。通常為兩個(gè)不同金屬的接觸材料在與石墨堆疊體的納米帶的肖特基 接觸中具有不同的功函數(shù)，這在納米帶中產(chǎn)生內(nèi)建電勢(shì)。
本發(fā)明的光伏電池利用了以下事實(shí)圖案化的納米帶的電子性質(zhì)顯示為 依賴于納米帶的方向(手性)和寬度，這類似于單壁碳納米管(SWNT)的 電子性質(zhì)依賴于管徑和手性(chirality)。納米管通常看作巻曲石墨烯片(單 片石墨)；相反，納米帶可以看作沒有巻曲的納米管。電子束縛(引起半導(dǎo) 體和金屬行為的區(qū)別的物理原因)在管和帶構(gòu)造中相當(dāng)，如圖1 (a)所示。 在兩種情況下，電子被束縛為形成沿著Cr (SWNT的環(huán)繞(巻曲)矢量) 的駐波(standing wave),盡管略有不同的邊界條件。在納米帶中，束縛電子 波的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)(nodalpoint)必須在帶的邊緣(圖l(a)的下圖)，而在SWNT 中它們可以在任何地方，即圓周周期邊界條件，如圖1 (a)的上圖所示。
納米帶的方向決定了它是金屬的還是半導(dǎo)體的。這與光伏應(yīng)用特別相 關(guān)，在光伏應(yīng)用中需要半導(dǎo)體納米帶。納米帶的"方向"可以通過考慮切割 石墨烯片的方法實(shí)現(xiàn)。通過沿著兩排C-C鍵切割石墨烯片，可以產(chǎn)生不同"手 性"的納米帶，如扶手椅(圖1 (b)和1 (d))和Z字形(圖1 (c)和1 (e))納米帶，這取決于切割的方向。.同樣，對(duì)于給定的"手性"，存在兩種類型的納米帶，左右對(duì)稱邊緣結(jié)構(gòu)(圖l(c)和l(d)，去除藍(lán)色面板(blue panel))或者左右不對(duì)稱結(jié)構(gòu)(圖1 (b)和1 (e)，去除藍(lán)色面板)。
重要的是，所有的扶手椅和三分之一的Z字形對(duì)稱納米帶為金屬的，而 三分之二的Z字形納米帶為半導(dǎo)體的。這與單壁碳納米管具有相同的比率。
對(duì)光伏應(yīng)用特別有用的是三分之二的Z字形納米帶表現(xiàn)為有限帶隙的 半導(dǎo)體。它們提供了新種類的納米材料(納米級(jí)半導(dǎo)體)，非常適合用于制 造本發(fā)明光伏電池的基本成分。因?yàn)榧{米帶的帶隙隨著帶寬度的減小而連續(xù) 增大，所以具有多種寬度且因此包括具有不同帶隙的納米帶的石墨堆疊體可 以結(jié)合到光伏電池中，以提供吸收太陽輻射整個(gè)全光i普波長(zhǎng)的光伏電池。例 如，光伏電池可以包括帶隙范圍為約O.leV至約2eV的納米帶。這可以通過 采用范圍為約30nm至約lnm的(例如，約20nm至約2.5nm)不同寬度的 石墨堆疊體來實(shí)現(xiàn)。
納米帶的另 一個(gè)有用特性是其功函數(shù)不太依賴于其寬度。第 一原理 (First-principles )計(jì)算表明，所有的Z字形和扶手椅碳納米帶具有約4.58eV 的功函數(shù)，其僅略低于無限單片石墨烯的功函數(shù)(4.66eV)。這種行為與 SWNT的顯著不同，在SWNT中曲率效應(yīng)引發(fā)的表面偶極子改變SWNT的 功函數(shù)，使其依賴于管直徑。碳納米帶的功函數(shù)相對(duì)于其寬度的獨(dú)立性對(duì)于 設(shè)計(jì)碳納米帶基太陽能電池在工藝上是有用的特征。當(dāng)不同尺寸的碳納米帶 設(shè)置為與金屬引線接觸時(shí)，在所有的接觸處產(chǎn)生相同大小的接觸電位(或者 肖特基勢(shì)壘)，而與碳納米帶的尺寸無關(guān)。因此，對(duì)于本發(fā)明的肖特基勢(shì)壘 光伏電池，在多帶隙電池結(jié)構(gòu)中橋接兩個(gè)導(dǎo)電接觸的所有^f友納米帶上產(chǎn)生相 同的總的內(nèi)建電勢(shì)。
通過附圖進(jìn)行說明，圖2是根據(jù)本發(fā)明的鈦接觸-碳納米帶-金接觸 (Ti-CNR-Au)裝置的示意圖。在該裝置設(shè)計(jì)中， 一個(gè)金屬引線(Ti)具有 小于納米帶的功函數(shù)的功函數(shù)(4.3eV)，而另一個(gè)金屬引線(Au)具有大于 納米帶的功函數(shù)的功函數(shù)(5.1eV)。圖2 (a)示出了接觸前Ti-CNR-Au裝 置中每種材料的能帶圖，其中由于功函數(shù)的不同各材料的費(fèi)米能級(jí)不重合。 當(dāng)三種材料進(jìn)行接觸時(shí)(圖2 (b)),它們的費(fèi)米能級(jí)必須平齊(line up)。 結(jié)果，在碳納米帶中產(chǎn)生電場(chǎng)，其內(nèi)建電勢(shì)(Vbi)等于兩個(gè)金屬引線之間的 功函數(shù)差，如圖2 (b)所示。對(duì)于理想情況的短本征納米帶，Vbi在整個(gè)納 米帶上從Au接觸到Ti接觸會(huì)線性降低，類似于圖2 (b)示意性所示的真空能級(jí)(vacuum level )。對(duì)于非常長(zhǎng)和摻雜的納米帶，摻雜水平可以被釘扎 (pinned),或者納米帶的費(fèi)米能在納米帶的中間部分保持不變。那么，在此 情況下，納米帶的中間部分中的導(dǎo)帶和價(jià)帶將是平的，而靠近Ti接觸時(shí)向 下彎曲，靠近Au接觸時(shí)向上彎曲，如圖2(b)所示。內(nèi)建電場(chǎng)可以分開入 射光子產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，產(chǎn)生電流。
根據(jù)本發(fā)明的典型石墨基肖特基勢(shì)壘光伏電池可以包括十億(甚至萬 億)的納米帶，取決于石墨堆疊體的密度和尺寸。運(yùn)行中的石墨納米帶光伏 電池應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)為包含盡可能高的帶填塞密度〔packing density of ribbons )而 增加不透明性，如10Vcn^且在縱深方向填塞104層，從而實(shí)現(xiàn)最高的功率密 度。在沒有太陽能集中器時(shí)太陽能照明強(qiáng)度的最大功率密度為~ 850W/m2。 本發(fā)明的光伏電池甚至沒有太陽能集中器的情況下可以產(chǎn)生50W/n^或者更 高的功率密度。當(dāng)然可以采用太陽能集中器而改善功率密度。例如，采用lOOx 太陽能集中器，可以實(shí)現(xiàn)5000W/m2的功率密度。
石墨基肖特基勢(shì)壘光伏電池的示意圖如圖3所示。該電池包括石墨堆疊 體的大陣列(圖中的每條線代表例如包含約大于104垂直堆疊的納米帶的石 墨堆疊體)，這些石墨堆疊體連接在金屬電極之間而形成肖特基接觸。每個(gè) 堆疊體接觸兩個(gè)金屬接觸(例如， 一個(gè)Ti接觸和一個(gè)Au接觸)。每排都產(chǎn) 生光電流(或者光電壓)，并且能夠配線以匹配所需的使用。由于各石墨烯 層在石墨中自然是獨(dú)立的， 一個(gè)讀出器(readout)可以服務(wù)于石墨堆疊體中 的所有石墨烯層。最終的肖特基勢(shì)壘光伏電池以與典型的光伏電池相同的方 式運(yùn)行。光子將電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶中。由該作用產(chǎn)生的電子空穴對(duì)經(jīng)受 由兩個(gè)金屬接觸和納米帶之間的功函數(shù)差建立的電場(chǎng)，并且使電子和空穴分 開?？梢越o電池配線以增加電流或者增加電壓，與傳統(tǒng)的光伏電池一樣。
光伏電池可以采用半導(dǎo)體加工技術(shù)制作，如光刻、圖案化和蝕刻。它的 優(yōu)勢(shì)在于提供能夠在單一的工序中加工很多相同的或者不同的堆疊體的便 宜的平行工藝。形成多個(gè)堆疊體的基本方法包括在高純度石墨基板上圖案化 多個(gè)(例如陣列)堆疊體，然后采用氧等離子體蝕刻通過基板到幾百微米的 深度。例如，石墨堆疊體可以從商業(yè)獲得的高度定向的熱解石墨(HOPG) 的0.2mm薄條(SPI產(chǎn)品，HOPG等級(jí)(Graded) 1)來制備。(可以采用 更薄或者更厚的石墨層。然而，希望石墨基板足夠薄以是柔性的)。HOPG /薄月莫可以壽爭(zhēng)禾多亞。處J里基豐反(handle substrate), :fe口 Novoselov et al., Science 306，666 (2004)中所描述。對(duì)于光伏裝置，絕緣處理基板是希望的，因此具有 厚Si02膜(-300 nm)的氧化硅晶片可以用作基板。作為選擇，為了制作 柔性和較低成本的電池，諸如PET的柔性聚合物可以用作處理基板。SU8 光致抗蝕劑可以用于將石墨結(jié)合到PET膜(例如，見Yuan et al., J. Appl. Phys. 100,013708 (2006))。
通過納米圖案化和蝕刻石墨薄膜可以裁減所希望的納米帶幾何形狀。制 造步驟的圖解提供在圖4中。200nm厚的Si02膜(402 )用作蝕刻停止掩才莫， 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)首先沉積在HOPG表面(404) 上。HOPG表面由處理基板(400)支撐。諸如聚曱基丙烯酸曱酯(PMMA) 的抗蝕劑材料(406)涂覆在蝕刻停止(etch stop)上(步驟A)。然后，諸 如EUV或者UV激光干涉光刻或納米壓印光刻的高分辨率光刻技術(shù)用于在 抗蝕劑中產(chǎn)生圖案，以提供空間分離的石墨堆疊體的陣列。然后，通過各向 異性干法蝕刻(例如，Si02干法蝕刻、)去除暴露的氧化物，以獲得陡峭的側(cè) 壁，即防止在濕蝕刻中產(chǎn)生底切(undercut)(步驟B)。然后，釆用氧等離 子體蝕刻石墨膜而形成適當(dāng)深度的溝槽(408)(步驟C)。溝槽的寬度可以 根據(jù)納米帶所希望的帶隙選擇。 一旦在石墨膜中形成溝槽，就可以采用電子 束蒸發(fā)或者其它適當(dāng)?shù)慕饘俪练e技術(shù)沉積Ti (410)和Au (412)(步驟D), 并且可以采用先進(jìn)的剝離工藝而限定接觸(步驟E)?？蛇x擇地，沿著納米 帶長(zhǎng)邊(即沿其長(zhǎng)度)的空間(例如，溝槽)可以填充鈍化聚合物，以防止 納米帶的邊緣與氧或其它環(huán)境蒸氣(例如，H20、 N2等)反應(yīng)。
在形成石墨堆疊體中釆用光刻技術(shù)是有利的，這是因?yàn)樗试S選擇性形 成半導(dǎo)體納米帶，而不是金屬納米帶。可以采用適當(dāng)?shù)膱D案化方向來實(shí)現(xiàn)半 導(dǎo)體納米帶的選擇性形成，以提供具有對(duì)稱Z字形構(gòu)造、非對(duì)稱Z字形構(gòu)造 或者其結(jié)合的石墨烯片。根據(jù)所采用的光刻技術(shù)，形成不包含任何金屬Z字 形納米帶的石墨堆疊體是不實(shí)際或不可能的。在此情況下，可以以單獨(dú)的工 藝步驟消除金屬納米帶。例如，通過以類似于碳納米管所采用的方式燃燒(例 如，見Collins et al., Science 292,706 ( 2001 )),可以將金屬納米帶轉(zhuǎn)化為半 導(dǎo)體納米帶。在該方法中，控制石墨堆疊體以使半導(dǎo)體納米帶為非傳導(dǎo)的， 并且使電流通過該堆疊體以"燃燒"金屬納米帶，直到其尺寸減小到足夠小 以使它們?yōu)榘雽?dǎo)體的。作為選擇，金屬納米帶的邊緣可以被摻雜以使它們?yōu)?半導(dǎo)體的。因此，在一些實(shí)施例中，希望石墨堆疊體中的部分或者全部納米帶被選 擇性摻雜。例如，通過在納米帶的兩個(gè)不同段上摻雜不同的摻雜劑可以產(chǎn)生
p-n結(jié)。摻雜納米帶的一個(gè)有效方法是以不同的終止(terminations)處理它 們的邊緣結(jié)構(gòu)。例如，如果以諸如磷(P)和砷(As)的V族元素終止，則 納米帶會(huì)是n型摻雜，和/或如果以諸如硼(B)和鎵(Ga)的III族元素終 止，則納米帶會(huì)是p型摻雜。通過使包含所需摻雜劑原子的分子前驅(qū)體(例 如，摻雜P的磷化氫(PH3)以及摻雜As的三氳化砷(AsH3))流到棵露的 納米帶可以改變納米帶的終止。
光刻限定堆疊體的典型尺寸是約100pm至約300(im的高度，約2nm至 約30nrn的寬度以及約O.lpm至約lOOO^im的長(zhǎng)度?；迳系湫偷亩询B體密 度為約106至約1012個(gè)堆疊體/0112。利用這些堆疊體尺寸的光伏電池會(huì)包含 10!2石墨婦片/cm2。
在光刻限定的石墨堆疊體內(nèi)，垂直堆疊納米帶的寬度上會(huì)有一些微小的 變化。該變化取決于所采用的圖案化和蝕刻工藝的限制。因此，具有非均勻 寬度石墨堆疊體中的納米帶將看作具有"基本上相同的寬度"，并且因此具 有"基本上相同的帶隙"，其中該非均勻性由光刻技術(shù)的限制產(chǎn)生。例如， 如果石墨堆疊體或者納米帶的寬度變化小于約0.2nm,則它們可以看作具有 "基本上相同的寬度"。
石墨堆疊體可以以規(guī)則的陣列或圖案形成石墨基板上。所希望的是在光 伏電池中包括不同寬度的石墨堆疊體，以制造吸收不同波長(zhǎng)輻射的電池。該 寬度希望選擇為提供在整個(gè)太陽光譜(例如，從約0.1eV到約2eV)波長(zhǎng)吸 收的電池。例如，光伏電池可以包括多個(gè)(例如三個(gè)或者更多個(gè))區(qū)域，其 中區(qū)域限定為具有相同或者基本上相同寬度的多個(gè)石墨堆疊體。每個(gè)區(qū)域中 的石墨堆疊體可以空間上分組(即，相鄰)，或者可以與其它區(qū)域的石墨堆 疊體分開。然后，不同的區(qū)域可以串聯(lián)連接以提供光伏電池。
在基板上形成多個(gè)堆疊體或者堆疊體陣列后，交替的Au和Ti (或者其 它適當(dāng)?shù)膶?dǎo)電材料)接觸沉積在溝槽中。因?yàn)榧{米帶的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其寬度， 所以可以采用傳統(tǒng)的沉積技術(shù)執(zhí)行金屬的圖案化和沉積。最終形成的接觸連 接給定石墨堆疊體所有層的納米帶。
正如這里所采用的，除非另有規(guī)定，"一(a)"或"一(an)"意味著"一 個(gè)或多個(gè)"。這里引用的所有專利、申請(qǐng)、參考資料和出版物以它們的全部?jī)?nèi)容通過引用被結(jié)合到如它們被獨(dú)立地引用結(jié)合的程度。
正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解的，為了任何和所有目的，特別是在提供 撰寫的說明書方面，這里披露的所有范圍也包括任何和所有可能的子范圍及 其子范圍的結(jié)合。任何所列范圍可易于看作充分的描述，并且能使該范圍分 解為至少等于一半、三分之一、四分之一、五分之一、十分之一等。作為非 限定性示例，這里討論的每個(gè)范圍可以易于分解為下三分之一、中三分之一 和上三分之一等。正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解的，諸如"至"、"至少"、"大 于，，和"小于"等的所有詞語都包括列舉的數(shù)，并且涉及如上所討論的可隨 后分解為子范圍的范圍。最后，正如本領(lǐng)域的技術(shù)人員可理解的，范圍包括 每個(gè)獨(dú)立個(gè)體。
應(yīng)當(dāng).理解的是，本發(fā)明不限于這里如示例所闡明的特定實(shí)施例，而是包 括其落入以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有這樣的形式。
權(quán)利要求
1、一種光伏電池，包括(a)第一接觸，包括第一導(dǎo)電接觸材料；(b)第二接觸，包括第二導(dǎo)電材料；以及(c)多個(gè)空間分離的石墨堆疊體，橋接該第一接觸和該第二接觸，每個(gè)石墨堆疊體包括多個(gè)垂直堆疊的半導(dǎo)體石墨烯片；其中該第一導(dǎo)電材料和該石墨烯片之間的結(jié)形成電子或者空穴的肖特基勢(shì)壘。
2、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨堆疊體具有不大于50nm 的寬度。
3、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨堆疊體具有不大于30nm 的寬度。
4、 如權(quán)利要求3所述的光伏電池，其中該石墨堆疊體具有約2nm至約 25nm的寬度。
5、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨堆疊體具有約100pm至 約300pm的高度。
6、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨堆疊體的密度至少為1000 個(gè)堆疊體/cm2。 -
7、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨烯片的至少一部分被摻雜。
8、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨烯片的全部或者基本上 全部為半導(dǎo)體性的。
9、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該石墨堆疊體限定多個(gè)區(qū)域， 每個(gè)區(qū)域包括具有基本上相同寬度的多個(gè)石墨堆疊體和具有基本上相同帶 隙的石墨烯片，其中每個(gè)區(qū)域與至少一個(gè)其它區(qū)域串聯(lián)連接。
10、 如權(quán)利要求9所述的光伏電池，其中每個(gè)區(qū)域中的該石墨堆疊體是 空間分組的。
11 、如權(quán)利要求9所述的光伏電池，其中該石墨烯片具有范圍為約0.1 eV 至約2eV的帶隙。
12、如權(quán)利要求9所述的光伏電池，包括至少三個(gè)區(qū)域。
13、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該第一導(dǎo)電接觸材料與該石墨 烯片之間的結(jié)形成電子的肖特基勢(shì)壘，而該第二導(dǎo)電材料與該石墨烯片之間 的結(jié)不形成電子的肖特基勢(shì)壘。
14、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該第一導(dǎo)電材料與該石墨烯片 之間的結(jié)形成電子的肖特基勢(shì)壘，而該第二導(dǎo)電材料與該石墨烯片之間的結(jié) 形成電子的肖特基勢(shì)壘。
15、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，其中該第一導(dǎo)電材料與該石墨烯片 之間的結(jié)形成電子的肖特基勢(shì)壘，而該第二導(dǎo)電材料與該石墨烯片之間的結(jié) 形成空穴的肖特基勢(shì)壘。
16、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，沒有太陽能集中器時(shí)能夠產(chǎn)生至少 約50W/rr^的功率密度。
17、 如權(quán)利要求1所述的光伏電池，配有l(wèi)OOx太陽能集中器時(shí)能產(chǎn)生 至少約5000 W/n^的功率密度。
18、 一種發(fā)電方法，包括將權(quán)利要求1的該光伏電池暴露于能在該石墨 烯片中光生電荷載流子的輻射，由此產(chǎn)生電。
19、 如權(quán)利要求18所述的方法，其中該輻射為太陽輻射。
全文摘要
本發(fā)明采用光刻圖案化的石墨堆疊體作為有效和經(jīng)濟(jì)的光伏電池的基本構(gòu)造單元。石墨基光伏電池的基本設(shè)計(jì)包括多個(gè)空間分離的石墨堆疊體，每一個(gè)堆疊體都包括橋接導(dǎo)電接觸的多個(gè)垂直堆疊的半導(dǎo)體石墨烯片(碳納米帶)，并且與所述導(dǎo)電接觸之一形成肖特基接觸。
文檔編號(hào)H01L31/07GK101681953SQ200880008217
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2008年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者鋒 劉, 馬克斯·拉加利 申請(qǐng)人:威斯康星校友研究基金會(huì);猶他大學(xué)研究基金會(huì)