CN107785487A - 一种石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石墨烯制备和应用技术领域，具体为一种石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法。所述石墨烯薄膜太阳能电池，自下而上包括：透明基底(1)、第一阳极层(2)、第二阳极层(3)、第三阳极层(4)、阳极修饰层(5)、薄膜光敏层(6)、阴极修饰层(7)、第一阴极层(8)，所述第一阳极层(2)为石墨烯或者改性石墨烯，所述第一阳极层(2)的厚度为10‑20 nm，所述第二阳极层(3)为ITO，所述第二阳极层(3)的厚度为50‑200 nm，所述第三阳极层(4)为Au纳米颗粒，所述第三阳极层(4)的厚度为0.5‑5 nm。本发明的薄膜太阳能电池，采用新型的阳极结构，提高了电极的导电性、功函数和良品率，有利于提高薄膜太阳能电池特别是大面积薄膜太阳能电池的能量转换效率。

Description

一种石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于石墨烯制备和应用技术领域，具体为一种石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着化石能源的枯竭以及大量使用化石能源带来的环境污染等问题日益突出，人们迫切希望寻找可再生，无污染的新能源来替代化石能源。太阳能作为一种可再生清洁无污染的新能源之一，自 21世纪以来一直是各个国家研究的重点。以太阳能电池为核心的光伏产业直接将太阳能转化成电能，是目前人类可以利用的最清洁的能源之一，是公认的“绿色能源”。近年来兴起的薄膜太阳能电池由于其在柔性、成本等方面显示出的巨大优势，越来越收到学界和产业界的关注。
传统的薄膜太阳能电池的使用ITO作为透明阳极。透明阳极对薄膜太阳能电池的能量转换效率具有至关重要的影响。一般的，良好的电池透明阳极要满足以下几个条件：1、电学特性好，功函数高，可以高效的完成空穴的收集；2、光学特性好，透明阳极要对太阳光谱尽可能的透明，以使得更多的太阳光可以进入到电池之中；3、机械性能良好；4、制备工艺简单，成品率高。薄膜电池中透明阳极的研究已经有很多，但是还不能完全达到上述要求。例如传统的ITO透明阳极功函数小于5 eV，与很多空穴传输材料不能完成匹配，不利于空穴的收集，导电性能差，方块电阻大，大大限制了大面积条件下的薄膜太阳能电池的效率的提高。
所以，提供一种新的薄膜太阳能电池及其制备方法成为我们要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种石墨烯薄膜太阳能电池及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的传统薄膜太阳能电池透明阳极存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
作为本发明的一个方面，提供了一种石墨烯薄膜太阳能电池，自下而上包括：透明基底、第一阳极层、第二阳极层、第三阳极层、阳极修饰层、薄膜光敏层、阴极修饰层、第一阴极层，其特征在于：所述第一阳极层为石墨烯或者改性石墨烯，所述第一阳极层的厚度为10-20 nm，所述第二阳极层为ITO，所述第二阳极层的厚度为50-200 nm，所述第三阳极层为Au纳米颗粒，所述第三阳极层的厚度为0.5-5 nm。
优选的，所述的透明基底包括但不限于玻璃、石英等硬质透明基底以及PET、PEN、PI、PC及PDMS等聚合物柔性透明基底，所述透明基底在可见光波段的平均透光率高于90％。
优选的，所述阳极修饰层(5)包括但不限定于NiO、spiro-OMeTAD、MoO3、WO3、V2O5、PEDOT:PSS、CuPc、2-TNATA、m-MTDATA，所述阳极修饰层的厚度5-50 nm。
优选的，所述薄膜光敏层包括但不限于有小分子薄膜、有机聚合物薄膜、有机无机杂化钙钛矿薄膜、无机钙钛矿薄膜，所述薄膜光敏层的厚度为50-500 nm。
优选的，所述阴极修饰层包括但不限定于TiO2、ZnO、LiF、CsCO3、LiQ、CsF、Bphen、AlQ3，所述阴极修饰层厚度0.5-50 nm。
作为本发明的第二个方面，提供了一种石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法：器件的制备包括如下步骤：
S1、清洗透明基底：将透明基底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗 10 min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干；
S2、制备第一阳极层：在透明基底上，通过化学气相沉积的方法生长一层10-20 nm的石墨烯作为第一阳极层；
S3、制备第二阳极层：通过磁控溅射的方法在石墨烯第一阳极层上制备一层50-200 nm的ITO作为第二阳极层；
S4、制备第三阳极层：通过真空蒸镀的方法在第二阳极层上制备一层0.5-5 nm 的Au纳米颗粒作为第三阳极层；
S5、制备阳极修饰层：在上述第三阳极层上，根据阳极修饰层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度5-50 nm的阳极修饰层；
S6、制备薄膜光敏层：在上述阳极修饰层上，根据薄膜光敏层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度50-500 nm的薄膜光敏层；
S7、制备阴极修饰层：在上述薄膜光敏层上，根据阴极修饰层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度0.5-50 nm的阴极修饰层；
S8、制备第一阴极层：在阴极修饰层上通过热蒸发的方法沉积一层80-200 nm的Al、Ag或者Au作为第一阴极层，获得石墨烯太阳能电池。
进一步的，所述步骤S2中石墨烯的制备包括步骤将透明基底放入化学气相沉积反应室，通入甲烷和氢气，生长出高质量的石墨烯透明电极层；
进一步的，所述步骤S3中ITO第二阳极层的制备在磁控溅射设备中完成，溅射过程中所述提供生长有第一阳极层的透明基底，对生长有第一阳极层的透明基底进行加热，并将所述透明基底维持在220～310℃；在氧化性气体氛围中，在所述透明基底上制备ITO薄膜，其中，所述氧化性气体选自N2、NO及NO2中的一种，或选自Ar和N2的混合气体、Ar和NO的混合物气体及Ar和NO2的混合物气体中的一种。
进一步的，所述步骤S4中制备第三阳极层通过真空热沉积的方法在真空镀膜机中完成，沉积本底真空度小于10-4Pa，沉积过程中，Au纳米颗粒的的沉积速率控制在0.01-0.02 nm/s，沉积厚度0.5-5 nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)本发明采用石墨烯作为薄膜太阳能电池的第一阳极层，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，在不明显降低ITO阳极导电性的情况下可以提高电极的导电性，降低透明电极的方块电阻，有利于大面积薄膜太阳能电池的效率的提高。(2)本发明在石墨烯第一阳极层上通过磁控溅射的方法生长ITO第二阳极层，石墨烯的存在降低了ITO溅射对基底平整度洁净度等要求，有利于提高ITO电极制备的良品率。 (3)本发明采用真空蒸镀的Au纳米颗粒作为第三阳极层，大幅提高了ITO电极的功函数，有利于薄膜太阳能电池效率的提高。总的说来，本发明的薄膜太阳能电池，采用新型的阳极结构，提高了电极的导电性、功函数和良品率，有利于提高薄膜太阳能电池特别是大面积薄膜太阳能电池的能量转换效率。
附图说明
图1为本发明的石墨烯太阳能电池结构示意图；
图中：1-透明基底，2-第一阳极层，3-第二阳极层，4-第三阳极层，5、阳极修饰层，6-薄膜光敏层， 7-第一阴极修饰层，8-第一阴极层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种石墨烯薄膜太阳能电池，自下而上包括：透明基底1、第一阳极层2、第二阳极层3、第三阳极层4、阳极修饰层5、薄膜光敏层6、阴极修饰层7、第一阴极层8，所述第一阳极层2为石墨烯或者改性石墨烯，所述第一阳极层2的厚度为10-20 nm，所述第二阳极层3为ITO，所述第二阳极层3的厚度为50-200 nm，所述第三阳极层4为Au纳米颗粒，所述第三阳极层4的厚度为0.5-5 nm；所述的透明基底1包括但不限于玻璃、石英等硬质透明透明基底以及PET、PEN、PI、PC及PDMS等聚合物柔性透明基底，所述透明基底在可见光波段的平均透光率高于90％；
所述阳极修饰层5包括但不限定于NiO、spiro-OMeTAD、MoO3、WO3、V2O5、PEDOT:PSS、CuPc、2-TNATA、m-MTDATA，所述阳极修饰层5的厚度5-50 nm；
所述薄膜光敏层6包括但不限于有小分子薄膜、有机聚合物薄膜、有机无机杂化钙钛矿薄膜、无机钙钛矿薄膜，所述薄膜光敏层6的厚度为50-500 nm。
所述阴极修饰层7包括但不限定于TiO2、ZnO、LiF、CsCO3、LiQ、CsF、Bphen、AlQ3，所述阴极修饰层7厚度0.5-50 nm。
一种石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法，器件的制备包括如下步骤，
S1、清洗透明基底：将在透明基底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗 10 min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干；
S2、制备第一阳极层：在透明基底上，通过化学气相沉积的方法生长一层10-20 nm的石墨烯作为第一阳极层；所述步骤S2石墨烯的制备包括步骤将透明基底放入化学气相沉积反应室，通入甲烷和氢气，生长出高质量的石墨烯透明电极层；
S3、制备第二阳极层：通过磁控溅射的方法在石墨烯第一阳极层上制备一层50-200 nm的ITO作为第二阳极层；所述步骤S3 ITO第二阳极层的制备在磁控溅射设备中完成，溅射过程中所述提供透明基底，对生长有第一阳极层的透明基底进行加热，并将所述透明基底维持在220～310℃；在氧化性气体氛围中，在所述透明基底上制备ITO薄膜，其中，所述氧化性气体选自N2、NO及NO2中的一种，或选自Ar和N2的混合气体、Ar和NO的混合物气体及Ar和NO2的混合物气体中的一种；
S4、制备第三阳极层：通过真空蒸镀的方法在第二阳极层上制备一层0.5-5 nm 的Au纳米颗粒作为第三阳极层；所述步骤S4制备通过真空热沉积的方法在真空镀膜机中完成，沉积本底真空度小于10-4Pa，沉积过程中，Au纳米颗粒的的沉积速率控制在0.01-0.02 nm/s，沉积厚度0.5-5 nm；
S5、制备阳极修饰层：在上述第三阳极层上，根据阳极修饰层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度5-50 nm的阳极修饰层；
S6、制备薄膜光敏层：在上述阳极修饰层上，根据薄膜光敏层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度50-500 nm的薄膜光敏层；
S7、制备阴极修饰层：在上述薄膜光敏层上，根据阴极修饰层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度0.5-50 nm的阴极修饰层；
S8、制备第一阴极层：在阴极修饰层上通过热蒸发的方法沉积一层80-200 nm的Al、Ag或者Au作为第一阴极层，获得石墨烯太阳能电池。
本发明的成功是基于以下几点：(1)本发明采用石墨烯作为薄膜太阳能电池的第一阳极层，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，在不明显降低ITO阳极导电性的情况下可以提高电极的导电性，降低透明电极的方块电阻，有利于大面积薄膜太阳能电池的效率的提高。(2)本发明在石墨烯第一阳极层上通过磁控溅射的方法生长ITO第二阳极层，石墨烯的存在降低了ITO溅射对基底平整度洁净度等要求，有利于提高ITO电极制备的良品率。(3)本发明采用真空蒸镀的Au纳米颗粒作为第三阳极层，大幅提高了ITO电极的功函数，有利于薄膜太阳能电池效率的提高。总的说来，本发明的薄膜太阳能电池，采用新型的阳极结构，提高了电极的导电性、功函数和良品率，有利于提高薄膜太阳能电池特别是大面积薄膜太阳能电池的能量转换效率。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种石墨烯薄膜太阳能电池，自下而上包括：透明基底(1)、第一阳极层(2)、第二阳极层(3)、第三阳极层(4)、阳极修饰层(5)、薄膜光敏层(6)、阴极修饰层(7)、第一阴极层(8)，其特征在于：所述第一阳极层(2)为石墨烯或者改性石墨烯，所述第一阳极层(2)的厚度为10-20 nm，所述第二阳极层(3)为ITO，所述第二阳极层(3)的厚度为50-200 nm，所述第三阳极层(4)为Au纳米颗粒，所述第三阳极层(4)的厚度为0.5-5 nm。
2.根据权利要求 1 所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池，其特征在于：所述的透明基底(1)包括但不限于玻璃、石英等硬质透明透明基底以及PET、PEN、PI、PC及PDMS等聚合物柔性透明基底，所述透明基底在可见光波段的平均透光率高于90％。
3.根据权利要求 1 所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阳极修饰层(5)包括但不限定于NiO、spiro-OMeTAD、MoO3、WO3、V2O5、PEDOT:PSS、CuPc、2-TNATA、m-MTDATA，所述阳极修饰层(5)的厚度5-50 nm。
4.根据权利要求 1所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池，其特征在于：所述薄膜光敏层(6)包括但不限于有小分子薄膜、有机聚合物薄膜、有机无机杂化钙钛矿薄膜、无机钙钛矿薄膜，所述薄膜光敏层(6)的厚度为50-500 nm。
5.根据权利要求 1 所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池，其特征在于：所述阴极修饰层(7)包括但不限定于TiO2、ZnO、LiF、CsCO3、LiQ、CsF、Bphen、AlQ3，所述阴极修饰层(7)厚度0.5-50 nm。
6.根据权利要求 1 所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：器件的制备包括如下步骤，
S1、清洗透明基底：将在透明基底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗 10 min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干；
S2、制备第一阳极层：在透明基底上，通过化学气相沉积的方法生长一层10-20 nm的石墨烯作为第一阳极层；
S3、制备第二阳极层：通过磁控溅射的方法在石墨烯第一阳极层上制备一层50-200 nm的ITO作为第二阳极层；
S4、制备第三阳极层：通过真空蒸镀的方法在第二阳极层上制备一层0.5-5 nm 的Au纳米颗粒作为第三阳极层；
S5、制备阳极修饰层：在上述第三阳极层上，根据阳极修饰层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度5-50 nm的阳极修饰层；
S6、制备薄膜光敏层：在上述阳极修饰层上，根据薄膜光敏层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度50-500 nm的薄膜光敏层；
S7、制备阴极修饰层：在上述薄膜光敏层上，根据阴极修饰层选择材料的不同分别选择真空热沉积法、溶液旋涂法、喷墨打印法、丝网印刷法等工艺制备厚度0.5-50 nm的阴极修饰层；
S8、制备第一阴极层：在阴极修饰层上通过热蒸发的方法沉积一层80-200 nm的Al、Ag或者Au作为第一阴极层，获得石墨烯太阳能电池。
7.根据权利要求 1 或权利要求6任一所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤S2石墨烯的制备包括步骤将透明基底放入化学气相沉积反应室，通入甲烷和氢气，生长出高质量的石墨烯透明电极层。
8.根据权利要求 1 或权利要求6任一所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤S3 ITO第二阳极层的制备在磁控溅射设备中完成，溅射过程中所述提供透明基底，对生长有第一阳极层的透明基底进行加热，并将所述透明基底维持在220～310℃；在氧化性气体氛围中，在所述透明基底上制备ITO薄膜，其中，所述氧化性气体选自N2、NO及NO2中的一种，或选自Ar和N2的混合气体、Ar和NO的混合物气体及Ar和NO2的混合物气体中的一种。
9.根据权利要求 1 或权利要求6任一所述的一种石墨烯薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述步骤S4制备通过真空热沉积的方法在真空镀膜机中完成，沉积本底真空度小于10-4Pa，沉积过程中，Au纳米颗粒的的沉积速率控制在0.01-0.02 nm/s，沉积厚度0.5-5 nm。
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