CN109786556A - 一种包含空穴传输层的异质结太阳电池及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种包含空穴传输层的异质结太阳电池，由下至上依次包括底电极、GaAs衬底、InGaAs外延层、空穴传输层、二硫化钼层和顶电极。所述空穴传输层为2,2',7,7'‑四[N,N‑二(4‑甲氧基苯基)氨基]‑9,9'‑螺二芴薄膜。本发明还公开了上述包含空穴传输层的异质结太阳电池的制备方法。本发明的异质结太阳电池，不仅制备工艺简单，工艺成本较低，而且光电转换效率高，是一种制备新型异质结太阳电池的有效方法。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池的技术领域，特别涉及一种包含空穴传输层的异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
二硫化钼是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，具有高透光度，高载流子迁移率等特点，在能源、材料学、微纳加工、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。但是传统的二硫化钼没有带隙，无法与其他半导体材料形成PN结从而构建新型光电器件。层状二硫化钼(MoS2)是近年来引起人们极大兴趣的一种新型二维原子晶体材料，与二硫化钼不同的是，二硫化钼是一种直接带隙半导体材料，其禁带宽度约为1.8eV，且可以与InGaAs形成异质结，且该异质结具有优异的光生伏特效应，可以制备成InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池。该电池相对传统的硅基太阳电池和GaAs基太阳电池具有成本低廉，制备工艺简单，稳定性好等特点，且具有优异的光电性能。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种包含空穴传输层的异质结太阳电池，通过新型空穴传输层的应用极大提高空穴传输层的传输和收集效率，可以有效提高太阳电池的光电转换效率。
本发明的另一目的在于提供上述包含空穴传输层的异质结太阳电池的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种包含空穴传输层的异质结太阳电池，由下至上依次包括底电极、GaAs衬底、InGaAs外延层、空穴传输层、二硫化钼层和顶电极；所述空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴薄膜。
所述空穴传输层的厚度为50-500纳米。
所述GaAs衬底为N型，衬底尺寸为1-4英寸，掺杂浓度为1×1017-3×1018cm-3。
所述InGaAs外延层为N型InGaAs，衬底尺寸为1-4英寸，掺杂浓度为1×1017-4×1018cm-3，厚度为100-1000纳米。
所述二硫化钼的层数为1-8层。
所述底电极的厚度为40-600nm。
所述顶电极为银导电银胶，或者银丝，顶电极的厚度为0.2-1微米。
所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)底电极的制备：将GaAs衬底固定在圆盘上，采用电子束蒸发方法，在GaAs衬底的背面蒸镀一层底电极，蒸镀温度为10-100℃，蒸镀时间为10-60分钟；
(2)生长InGaAs外延层：将镀好底电极的GaAs衬底放入分子束外延系统内，生长InGaAs外延层；
(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片切割成片；
(4)清洗衬底；
(5)旋涂制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴做空穴传输层：将衬底固定在旋涂机上，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，旋涂过程中的旋涂速率为1000-5000转每秒，旋涂时间为10-60秒；
(6)转移二硫化钼：二硫化钼采用化学气相沉积法在铜箔上面生长，生长完成后在二硫化钼表面覆盖一层PMMA做保护和支撑层；转移之前首先取出已经镀好空穴传输层的衬底片，将已经准备好的二硫化钼进行转移，首先用FeCl3溶液将铜箔腐蚀掉，将二硫化钼转移到超纯水中，然后利用水分子的范德华力，使二硫化钼贴合在空穴传输层表面，静置半小时自然晾干；
(7)后处理：将转移完二硫化钼的器件放在加热板上，用60-200℃的温度烘烤5-30min，去除二硫化钼里面的水分，使二硫化钼更紧密的与空穴传输层贴合；然后在20-80℃丙酮中浸泡5-15min去除二硫化钼表面的PMMA；
(8)制备顶电极：首先围绕二硫化钼边缘贴胶带，然后在二硫化钼边缘用注射器做一圈导电银胶；导电银胶的厚度为0.2-2微米；最后，30-100℃下烘烤导电银胶约2-20min充分固化导电银胶。
导电银胶在二硫化钼表面为长条形或为圆形。
步骤(4)所述清洗衬底，具体为：取切割完成后的衬底，分别采用丙酮，异丙醇，超纯水依次超声清洗5-20分钟后用吹风机将表面吹干待用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明制备一种包含空穴传输层的异质结太阳电池，通过InGaAs/二硫化钼异质结产生的內建电场实现电子空穴对的分离，从而制备出新型结构InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池。
(2)本发明通过在InGaAs-二硫化钼异质结太阳能电池中间插入一层2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)做空穴传输层，空穴传输层可有有效传导空穴同时阻挡电子，将电子和空穴有效分离收集，从而降低电子和空穴的复合几率，增大光生电流，最终实现太阳能电池高的光电转换效率。
(3)本发明的制备方法简单有效，电池的结构有效简化，制备工艺成本低，电池的光电转换效率明显提高。
附图说明
图1为本发明的实施例的具备空穴传输层的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池的结构示意图。
图2为本发明的实施例的加入空穴传输层前后的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池电流-电压关系曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池的结构，由下至上依次包括金底电极1、GaAs衬底2、InGaAs外延层3、空穴传输层4、二硫化钼5和导电银胶顶电极6。
本实施例的具备空穴传输层的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)底电极的制备：将一个2英寸GaAs衬底固定在圆盘上，采用电子束蒸发系统，在GaAs衬底的背面蒸镀一层Au电极，蒸镀温度为40℃，蒸镀时间为20分钟，Au电极厚度为100纳米。
(2)生长InGaAs外延层：将镀好Au电极的GaAs衬底放入分子束外延系统内，生长InGaAs外延层，InGaAs外延层的厚度为500纳米，掺杂浓度为2×1017cm-3。
(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片法切割成一平方厘米尺寸的片子。
(4)清洗：取切割完成后的衬底，分别采用丙酮，异丙醇，超纯水依次超声清洗10分钟后用吹风机将表面吹干待用。
(5)旋涂制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)做空穴传输层：将衬底固定在旋涂机上，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)，旋涂过程中的旋涂速率为4000转每秒，旋涂时间为40秒，制备的空穴传输层的厚度为250纳米。
(6)转移二硫化钼：二硫化钼采用化学气相沉积法在铜箔上面生长，生长完成后在二硫化钼表面覆盖一层PMMA做保护和支撑层。转移之前首先取出已经镀好空穴传输层的衬底片，将已经准备好的二硫化钼进行转移，首先用FeCl3溶液将铜箔腐蚀掉，将二硫化钼转移到超纯水中，然后利用水分子的范德华力，使二硫化钼贴合在空穴传输层表面，静置半小时自然晾干。
(7)后处理：将转移完二硫化钼的器件放在加热板上，用75℃的温度烘烤20分钟，去除二硫化钼里面的水分，使二硫化钼更紧密的与空穴传输层贴合；然后在20℃丙酮中浸泡100分钟去除二硫化钼表面的PMMA。
(8)制备顶电极：首先围绕二硫化钼边缘贴胶带，然后在二硫化钼边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶在二硫化钼表面为长条形，也可以为圆形。导电银胶的厚度为0.6微米。最后，65℃下烘烤导电银胶约10min充分固化导电银胶。
图2是有无空穴传输层的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池的J-V曲线对比，参比电池的短路电流密度为24.56毫安每平方厘米，开路电压为0.75伏特，转换效率为13.66％；通过在InGaAs和二硫化钼之间加入一层空穴传输层，太阳能电池短路电流密度提高到28.82毫安每平方厘米，开路电压提高为0.80伏特，转换效率提高到17.06％，太阳电池的性能显著改善。
本发明旨在制备具有2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)做空穴传输层的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池，一方面空穴传输层可以起到传导空穴，阻挡电子的作用，减少电子和空穴的复合，减少光生电流的损失，提高太阳电池的效率。另一方面，空穴传输层的引入，可以提高异质势垒，从而提高开路电压，增大太阳电池的填充因子。因此，本发明制备的具备空穴传输层InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池，光电转换效率和填充因子都得到明显提高。
实施例2
本实施例的具备空穴传输层的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)底电极的制备：将一个2英寸GaAs衬底固定在圆盘上，采用电子束蒸发系统，在GaAs衬底的背面蒸镀一层Au电极，蒸镀温度为50℃，蒸镀时间为30分钟，Au电极厚度为150纳米。
(2)生长InGaAs外延层：将镀好Au电极的GaAs衬底放入分子束外延系统内，生长InGaAs外延层，InGaAs外延层的厚度为500纳米，掺杂浓度为1×1017cm-3。
(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片法切割成一平方厘米尺寸的片子。
(4)清洗：取切割完成后的衬底，分别采用丙酮，异丙醇，超纯水依次超声清洗15分钟后用吹风机将表面吹干待用。
(5)旋涂制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)做空穴传输层：将衬底固定在旋涂机上，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)，旋涂过程中的旋涂速率为4500转每秒，旋涂时间为35秒，制备的空穴传输层的厚度为200纳米。
(6)转移二硫化钼：二硫化钼采用化学气相沉积法在铜箔上面生长，生长完成后在二硫化钼表面覆盖一层PMMA做保护和支撑层。转移之前首先取出已经镀好空穴传输层的器件，将已经准备好的二硫化钼进行转移，首先用FeCl3溶液将铜箔腐蚀掉，将二硫化钼转移到超纯水中，然后利用水分子的范德华力，使二硫化钼贴合在空穴传输层表面，静置40分钟自然晾干。
(7)后处理：将转移完二硫化钼的器件放在加热板上，用70℃的温度烘烤20分钟，去除二硫化钼里面的水分，使二硫化钼更紧密的与空穴传输层贴合；然后在35℃丙酮中浸泡30分钟去除二硫化钼表面的PMMA。
(8)制备顶电极：首先围绕二硫化钼边缘贴胶带，然后在二硫化钼边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶在二硫化钼表面为长条形，也可以为点状或者圆形。导电银胶的厚度为0.6微米。最后，65℃下烘烤导电银胶约10min充分固化导电银胶。
实施例3
本实施例的具备空穴传输层的InGaAs-二硫化钼异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)底电极的制备：将一个2英寸GaAs衬底固定在圆盘上，采用电子束蒸发系统，在GaAs衬底的背面蒸镀一层Au电极，蒸镀温度为60℃，蒸镀时间为40分钟，Au电极厚度为200纳米。
(2)生长InGaAs外延层：将镀好Au电极的GaAs衬底放入分子束外延系统内，生长InGaAs外延层，InGaAs外延层的厚度为500纳米，掺杂浓度为1×1017cm-3。
(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片法切割成一平方厘米尺寸的片子。
(4)清洗：取切割完成后的衬底，分别采用丙酮，异丙醇，超纯水依次超声清洗15分钟后用吹风机将表面吹干待用。
(5)旋涂制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)做空穴传输层：将衬底固定在旋涂机上，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)，旋涂过程中的旋涂速率为3500转每秒，旋涂时间为35秒，制备的空穴传输层的厚度为300纳米。
(6)转移二硫化钼：二硫化钼采用化学气相沉积法在铜箔上面生长，生长完成后在二硫化钼表面覆盖一层PMMA做保护和支撑层。转移之前首先取出已经镀好空穴传输层的器件，将已经准备好的二硫化钼进行转移，首先用FeCl3溶液将铜箔腐蚀掉，将二硫化钼转移到超纯水中，然后利用水分子的范德华力，使二硫化钼贴合在空穴传输层表面，静置30分钟自然晾干。
(7)后处理：将转移完二硫化钼的器件放在加热板上，用70℃的温度烘烤20分钟，去除二硫化钼里面的水分，使二硫化钼更紧密的与空穴传输层贴合；然后在35℃丙酮中浸泡30分钟去除二硫化钼表面的PMMA。
(8)制备顶电极：首先围绕二硫化钼边缘贴胶带，然后在二硫化钼边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶在二硫化钼表面为长条形，也可以为点状或者圆形。导电银胶的厚度为1.5微米。最后，70℃下烘烤导电银胶约20min充分固化导电银胶。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，由下至上依次包括底电极、GaAs衬底、InGaAs外延层、空穴传输层、二硫化钼层和顶电极；所述空穴传输层为2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴薄膜。
2.根据权利要求1所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为50-500纳米。
3.根据权利要求1所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，所述GaAs衬底为N型，衬底尺寸为1-4英寸，掺杂浓度为1×1017-3×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，所述InGaAs外延层为N型InGaAs，尺寸为1-4英寸，掺杂浓度为1×1017-4×1018cm-3，厚度为100-1000纳米。
5.根据权利要求1所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，所述二硫化钼的层数为1-8层。
6.根据权利要求1所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，所述底电极的厚度为40-600nm。
7.根据权利要求1所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池，其特征在于，所述顶电极为银导电银胶，或者银丝，顶电极的厚度为0.2-1微米。
8.权利要求1～7任一项所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)底电极的制备：将GaAs衬底固定在圆盘上，采用电子束蒸发方法，在GaAs衬底的背面蒸镀一层底电极，蒸镀温度为10-100℃，蒸镀时间为10-60分钟；
(2)生长InGaAs外延层：将镀好底电极的GaAs衬底放入分子束外延系统内，生长InGaAs外延层；
(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片切割成片；
(4)清洗衬底；
(5)旋涂制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴做空穴传输层：将衬底固定在旋涂机上，采用旋涂法制备2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴，旋涂过程中的旋涂速率为1000-5000转每秒，旋涂时间为10-60秒；
(6)转移二硫化钼：二硫化钼采用化学气相沉积法在铜箔上面生长，生长完成后在二硫化钼表面覆盖一层PMMA做保护和支撑层；转移之前首先取出已经镀好空穴传输层的衬底片，将已经准备好的二硫化钼进行转移，首先用FeCl3溶液将铜箔腐蚀掉，将二硫化钼转移到超纯水中，然后利用水分子的范德华力，使二硫化钼贴合在空穴传输层表面，静置自然晾干；
(7)后处理：将转移完二硫化钼的器件放在加热板上，用60-200℃的温度烘烤5-30min，去除二硫化钼里面的水分，使二硫化钼更紧密的与空穴传输层贴合；然后在20-80℃丙酮中浸泡5-15min去除二硫化钼表面的PMMA；
(8)制备顶电极：首先围绕二硫化钼边缘贴胶带，然后在二硫化钼边缘用注射器做一圈导电银胶；导电银胶的厚度为0.2-2微米；最后，30-100℃下烘烤导电银胶2-20min充分固化导电银胶。
9.根据权利要求8所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，导电银胶在二硫化钼表面为长条形或为圆形。
10.根据权利要求8所述的包含空穴传输层的异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述清洗衬底，具体为：取切割完成后的衬底，分别采用丙酮，异丙醇，超纯水依次超声清洗5-20分钟后用吹风机将表面吹干待用。
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