CN109786557A - 一种InGaAs-graphene肖特基结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种InGaAs‑graphene肖特基结太阳电池，由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、InGaAs外延层、空穴传输层、石墨烯和顶电极；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InGaAs‑graphene肖特基结太阳电池的制备方法。本发明的InGaAs‑graphene肖特基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。

Description

一种InGaAs-graphene肖特基结太阳电池及其制备方法

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InGaAs-graphene肖特基结太阳电池及其制备方法。

背景技术

石墨烯(Graphene)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，功函数可调，高的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。石墨烯具有金属的性质，功函数大于InGaAs，由于graphene和GaAs之间功函数的差异，当两者形成异质结时可以产生肖特基势垒，利用肖特基势垒分离载流子可以制备出InGaAs-graphene肖特基结太阳电池。该类电池具有工艺简单，成本低，光电转换效率高等有点，具有广泛的应用前景。但是，单纯的graphene直接与InGaAs接触时容易产生漏电现象，如果将graphene与InGaAs直接接触，会在石墨烯界面处发生电子和空穴的复合，降低光生电流，从而影响太阳电池的光电转换效率。

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InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，转换效率高。

本发明的再一目的在于提供一种InGaAs-graphene肖特基结太阳电池的制备方法，工艺简单成本低。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、InGaAs外延层、空穴传输层、石墨烯和顶电极；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100-600纳米。

所述背电极为Au电极；厚度为50-500纳米。

所述顶电极为导电银胶顶电极，厚度为0.2-2微米。

所述InGaAs外延层为N型InGaAs；掺杂浓度为1×10¹⁷-2×10¹⁸cm^-3，厚度为200-800纳米。

所述石墨烯的层数为2-10层。

所用GaAs衬底为N型，掺杂浓度为1×10¹⁷-2×10¹⁸cm^-3。

所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)背电极的制备：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10-80℃，蒸镀时间为10-60分钟；

(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；

(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片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5-15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1000-5000转每秒，旋涂时间为10-60秒，制备的空穴传输层的厚度为50-300纳米；

(6)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的InGaAs片，将已经准备好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住InGaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层表面，自然晾干半小时；

(7)后处理：将转移完graphene的器件放在加热板上，烘烤去除graphene里面的水分，使石墨烯更紧密地与空穴传输层贴合；然后在20-80℃丙酮中浸泡5-20min去除石墨烯表面的PMMA；

(8)制备顶电极：首先围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，最后，20-100℃下烘烤导电银胶约4-20min充分固化导电银胶。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明通过InGaAs和graphene之间的肖特基势垒实现电子空穴对的分离，从而得到一种新型结构InGaAs-graphene肖特基结太阳电池。

(2)本发明通过在InGaAs-graphene肖特基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，利用空穴传输层具有阻挡电子传导空穴的作用，将电子和空穴有效分离和传输，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，电池的结构得到简化，制备工艺成本低，电池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-graphene肖特基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-graphene肖特基结太阳电池电流-电压关系曲线图。

图3为本发明的实施例的加入空穴传输层前后的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池量子效率图。

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-graphene肖特基结太阳电池的结构，由下至上依次包括背电极1、GaAs衬底2、InGaAs外延层3、空穴传输层4、石墨烯5和导电银胶顶电极6。

本实施例的具备空穴传输层的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)背电极的制备：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600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。

(4)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45秒，制备的空穴传输层的厚度为200纳米。

(5)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的InGaAs片，将已经准备好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住InGaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层表面，自然晾干半小时。

(6)后处理：将转移完graphene的器件放在加热板上，用75℃的温度烘烤20min，去除graphene里面的水分，使石墨烯更紧密地与空穴传输层贴合；然后在20℃丙酮中浸泡100min去除石墨烯表面的PMMA。

(7)制备顶电极：首先围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶在石墨烯表面为长条形，也可以为圆形。导电银胶的厚度为0.5微米。最后，65℃下烘烤导电银胶约12min充分固化导电银胶。

图2是有无空穴传输层的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池的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Graphene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。

图3是有无空穴传输层的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池的量子效率曲线对比，从图中可以看出，含有2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴(Spiro-OMeTAD)空穴传输层的电池在整个光谱吸收范围内量子效率均明显提高，主要是由于空穴传输层的引入可有效分离电子空穴对，从而明显提高电池的外量子效率。

本发明制备的具有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-graphene肖特基结太阳电池，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，可以提高肖特基势垒，从而提高开路电压，增大太阳能电池的填充因子。因此，本发明制备的具备空穴传输层的太阳能电池，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-graphene肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)背电极的制备：将一个4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3×10¹⁷cm^-3。

(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片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。

(4)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45秒，制备的空穴传输层的厚度为200纳米。

(5)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的InGaAs片，将已经准备好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住InGaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层表面，自然晾干半小时。

(6)后处理：将转移完graphene的器件放在加热板上，用90℃的温度烘烤10min，去除graphene里面的水分，使石墨烯更紧密地与空穴传输层贴合；然后在20℃丙酮中浸泡100min去除石墨烯表面的PMMA。

(7)制备顶电极：首先围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶在石墨烯表面为长条形，也可以为圆形。导电银胶的厚度为0.5微米。最后，65℃下烘烤导电银胶约12min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-graphene肖特基结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)背电极的制备：将一个4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15分钟，Au电极厚度为80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3×10¹⁷cm^-3。

(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片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。

(4)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3000转每秒，旋涂时间为30秒，制备的空穴传输层的厚度为250纳米。

(5)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的InGaAs片，将已经准备好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住InGaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层表面，自然晾干半小时。

(6)后处理：将转移完graphene的器件放在加热板上，用95℃的温度烘烤15min，去除graphene里面的水分，使石墨烯更紧密地与空穴传输层贴合；然后在20℃丙酮中浸泡40min去除石墨烯表面的PMMA。

(7)制备顶电极：首先围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶在石墨烯表面为长条形，也可以为圆形。导电银胶的厚度为1.5微米。最后，65℃下烘烤导电银胶约12min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 (8)

1.一种InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、InGaAs外延层、空穴传输层、石墨烯和顶电极；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InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，所述空穴传输层的厚度为100-600纳米。

3.根据权利要求1所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，所述背电极为Au电极；厚度为50-500纳米。

4.根据权利要求1所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，所述顶电极为导电银胶顶电极，厚度为0.2-2微米。

5.根据权利要求1所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，所述InGaAs外延层为N型InGaAs；掺杂浓度为1×10¹⁷-2×10¹⁸cm^-3，厚度为200-800纳米。

6.根据权利要求1所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，所述石墨烯的层数为2-10层。

7.根据权利要求1所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池，其特征在于，所用GaAs衬底为N型，掺杂浓度为1×10¹⁷-2×10¹⁸cm^-3。

8.权利要求1～7任一项所述的InGaAs-graphene肖特基结太阳电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)背电极的制备：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10-80℃，蒸镀时间为10-60分钟；

(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；

(3)切割：生长完InGaAs外延层的GaAs衬底采用激光划片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5-15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，制备的空穴传输层的厚度为50-300纳米；

(6)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的InGaAs片，将已经准备好的石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住InGaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层表面，自然晾干半小时；

(7)后处理：将转移完graphene的器件放在加热板上，烘烤去除graphene里面的水分，使石墨烯更紧密地与空穴传输层贴合；然后在20-80℃丙酮中浸泡5-20min去除石墨烯表面的PMMA；

(8)制备顶电极：首先围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，最后，20-100℃下烘烤导电银胶约4-20min充分固化导电银胶。