CN109786557A - 一种InGaAs-graphene肖特基结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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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
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。
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CN115000215A (zh) * | 2022-07-26 | 2022-09-02 | 华南理工大学 | 一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池及其制备方法 |
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