CN110600565A - 一种石墨烯太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种石墨烯太阳能电池，自下而上包括：衬底(1)、透明阳极(2)、第一子电池(3)、石墨烯连接层(4)、第二子电池(5)、反射电极(6)，其特征在于：所述石墨烯连接层(4)为三层薄膜结构，包括TiO2第一连接层(401)、石墨烯第二连接层（402）和MoO3第三连接层(403)，所述的TiO2第一连接层(401)、石墨烯第二连接层（402）和MoO3第三连接层(403)成的三明治结构，所述的TiO2第一连接层(401)的厚度为10‑20nm，石墨烯第二连接层（402）厚度20‑30nm，MoO3第三连接层(403)的厚度为5‑10nm。
Description
本专利为分案申请，原申请的申请信息为：申请日2017年10月31日，申请号为2017110435198，发明名称为：一种石墨烯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，具体为一种石墨烯太阳能电池。
背景技术
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”。传统的太阳能电池的效率受限于光敏层的光吸收范围，通常的光电材料很难将太阳能光谱完全覆盖，因此限制了电池的效率的提高。叠层电池是拓宽太阳能电池光吸收范围的非常好的方法，叠层电池可以同时利用两个、三个甚至更多的子电池的不同的光吸收，可以大大提高电池的能量转换效率。
叠层电池的连接层对叠层太阳能电池的能量转换效率具有至关重要的影响。一般的，良好的电池连接层要满足以下几个条件：1、电学特性好，可以同时完成对于电子和空穴的收集；2、光学特性好，连接层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、界面特性良好，界面稳定以利于提高电池的寿命；4、制备工艺对下层电池影响小，连接层制备过程中不能对下层电池造成较大的破坏，例如如果连接层制备过程中需要较高的温度就极有可能使得下层电池失效，对电池造成破坏性影响。叠层电池中连接层的研究已经有很多，但是还不能完全达到上述要求。
所以，提供一种新的连接层的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太阳能电池，以解决上述背景技术中提出的传统叠层太阳能电池连接层，光透过率差，界面稳定性差，电学性能差的问题。
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，提供了一种石墨烯太阳能电池，自下而上包括：衬底、透明阳极、第一子电池、石墨烯连接层、第二子电池、反射电极，其特征在于：所述石墨烯连接层为三层薄膜结构，包括TiO2第一连接层、石墨烯第二连接层和MoO3第三连接层，所述的TiO2第一连接层、石墨烯第二连接层和MoO3第三连接层形成的三明治结构，所述的TiO2第一连接层的厚度为10-20nm，石墨烯第二连接层厚度20-30nm，MoO3第三连接层的厚度为5-10nm。
优选的，所述的衬底包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及PET、PEN、PI、PC及PDMS等聚合物柔性衬底，所述衬底在可见光波段的平均透光率高于90％。
优选的，所述透明阳极为ITO，所述ITO透明阳极厚度100-200nm，方块电阻小于20Ω，在可见光波段的平均透光率高于90％。
优选的，所述第一子电池包括第一界面层、第一光敏层和第二界面层组成，所述第二子电池包括第三界面层、第二光敏层和第四界面层组成，所述的第一界面层和第三界面层为P型材料，所述第二界面层和第四界面层为N型材料，所述第一光敏层和第二光敏层材料包括但不限于有机材料、有机无机杂化钙钛矿材料。
作为本发明的另一个方面，提供了一种石墨烯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、清洗衬底：将在衬底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗10min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干；
S2、制备ITO透明阳极：在衬底上通过磁控溅射的方法生长一层100-200nm的ITO作为透明阳极；
S3、基底清洗：将在生长有ITO的依次置于去、丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗15min，清洗完成后使用高纯氮气吹干，吹干后在254nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；
S4、制备第一子电池：ITO透明阳极上制作第一子电池，根据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，丝网印刷法等工艺完成第一子电池的制作，第一子电池的制作按照第一界面层、第一光敏层和第二界面层的顺序依次进行；
S5、制备石墨烯连接层：在上述第一子电池的第二界面层上按照TiO2第一连接层、石墨烯第二连接层和MoO3第三连接层的顺序依次完成石墨烯连接层的制备；
S6、制备第二子电池：在上述石墨烯连接层的MoO3第三连接层上制作第二子电池，根据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，丝网印刷法等工艺完成第二子电池的制作，第二子电池的制作按照第三界面层、第二光敏层和第四界面层的顺序依次进行；
S7、制备反射电极：在第二子电池上通过热蒸发的方法沉积一层80-200nm的Al、Ag或者Au作为反射电极，获得石墨烯太阳能电池。
进一步的，所述TiO2第一连接层的制备包括步骤：以钛酸四丁酯为原料，通过水解得到TiO2纳米晶溶胶；将所得溶胶加热到70-90℃反应60min-12min后升温至140-160℃反应20min-3min，然后降温至70-90℃反应60min-12min，接着再升温至140-160℃反应20min-30min；重复上述操作2-5次，得到高分散性TiO2纳米晶溶胶；将上述所得高分散性TiO2纳米晶溶胶用稀释剂稀释，得到稀释后的高分散性TiO2纳米晶溶胶；所述稀释剂选自甲醇、乙醇、丙醇、二甲亚砜中的一种；稀释剂的用量为溶胶体积的9-99倍；以所得稀释后的高分散性TiO2纳米晶溶胶为膜料，通过旋转涂覆成膜工艺，使膜料在第一子电池上成膜，成膜后在20-40℃进行非退火干燥，完成TiO2第一连接层的制备。
进一步的，所述石墨烯第二连接层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至TiO2第一连接层上，其厚度为20-30nm。
进一步的，所述MoO3第三连接层的制备通过真空热沉积的方法制备，沉积本底真空度小于10-4Pa，沉积过程中，MoO3的沉积速率控制在0.02-0.05nm/s，沉积厚度5-10nm。
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太阳能电池的连接层，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，有利于更多的光子进入第二子电池，也有利于电子的收集，并最终有利于提高叠层太阳能电池的效率。石墨烯具备极强的稳定性，抗腐蚀性强，与溶液工艺兼容，不但有利于后续太阳能电池的各种溶液工艺的进行，更有利于提高电池的寿命。(2)石墨烯连接层的TiO2第一连接层的制备避免了高温烧结工艺，降低了连接层的制备对第一子电池的影响，且所得的TiO2第一连接层电子传输性能优异，有利于第一子电池中的光生电子更好的被连接层收集，从而提高电池的能量转换效率。(3)石墨烯连接层的MoO3第三连接层采用真空热蒸镀的MoO3,制备方法简单，此法形成的MoO3功函数高，可以提高器件的内建电场，促进空穴的收集。(4)本发明的TiO2/石墨烯/MoO3组成的复合连接层，界面特性良好，界面稳定，作为叠层太阳能电池的连接层，有利于提高电池的能量转换效率和电池的寿命。
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2为本发明的第一子电池结构示意图。
图3为本发明的石墨烯连接层结构示意图。
图4为本发明的第二子电池结构示意图。
图中：1-衬底，2-透明阳极，3-第一子电池，4-石墨烯连接层，5、第二子电池，6-反射阴极，301-第一界面层，302-第一光敏层，303-第二界面层，401-TiO2第一连接层，402-石墨烯第二连接层，403-MoO3第三连接层，501-第三界面层，502-第二光敏层，503-第四界面层。
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1-4，本发明提供一种技术方案：一种石墨烯太阳能电池，自下而上包括：衬底1、透明阳极2、第一子电池3、石墨烯连接层4、第二子电池5、反射电极5，所述石墨烯连接层4为三层薄膜结构，包括TiO2第一连接层401、石墨烯第二连接层402和MoO3第三连接层403，所述的TiO2第一连接层401、石墨烯第二连接层402和MoO3第三连接层403成的三明治结构，所述的TiO2第一连接层401的厚度为10-20nm，石墨烯第二连接层402厚度20-30nm，MoO3第三连接层403的厚度为5-10nm；所述的衬底1包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及PET、PEN、PI、PC及PDMS等聚合物柔性衬底，所述衬底在可见光波段的平均透光率高于90％；所述透明阳极2为ITO，所述ITO透明阳极2厚度100-200nm，方块电阻小于20Ω，在可见光波段的平均透光率高于90％；所述第一子电池3包括第一界面层301、第一光敏层302和第二界面层303组成，所述第二子电池5包括第三界面层501、第二光敏层502和第四界面层503组成，所述的第一界面层301和第三界面层501为P型材料，所述第二界面层303和第四界面层503为N型材料，所述第一光敏层302和第二光敏层502材料包括但不限于有机材料、有机无机杂化钙钛矿材料。
一种石墨烯太阳能电池的制备方法，器件的制备包括如下步骤，
S1、清洗衬底：将在衬底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗10min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干；
S2、制备ITO透明阳极：在衬底上通过磁控溅射的方法生长一层100-200nm的ITO作为透明阳极；
S3、基底清洗：将在生长有ITO的依次置于去、丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗15min，清洗完成后使用高纯氮气吹干，吹干后在254nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；
S4、制备第一子电池：ITO透明阳极上制作第一子电池，根据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，丝网印刷法等工艺完成第一子电池的制作，第一子电池的制作按照第一界面层、第一光敏层和第二界面层的顺序依次进行；
S5、制备石墨烯连接层：在上述第一子电池的第二界面层上按照TiO2第一连接层、石墨烯第二连接层和MoO3第三连接层的顺序依次完成石墨烯连接层的制备；所述TiO2第一连接层的制备包括步骤：以钛酸四丁酯为原料，通过水解得到TiO2纳米晶溶胶；将所得溶胶加热到70-90℃反应60min-12min后升温至140-160℃反应20min-3min，然后降温至70-90℃反应60min-12min，接着再升温至140-160℃反应20min-30min；重复上述操作2-5次，得到高分散性TiO2纳米晶溶胶；将上述所得高分散性TiO2纳米晶溶胶用稀释剂稀释，得到稀释后的高分散性TiO2纳米晶溶胶；所述稀释剂选自甲醇、乙醇、丙醇、二甲亚砜中的一种；稀释剂的用量为溶胶体积的9-99倍；以所得稀释后的高分散性TiO2纳米晶溶胶为膜料，通过旋转涂覆成膜工艺，使膜料在第一子电池上成膜，成膜后在20-40℃进行非退火干燥，完成TiO2第一连接层的制备；石墨烯第二连接层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至TiO2第一连接层上，其厚度为20-30nm；所述MoO3第三连接层的制备通过真空热沉积的方法制备，沉积本底真空度小于10-4Pa，沉积过程中，MoO3的沉积速率控制在0.02-0.05nm/s，沉积厚度5-10nm。
S6、制备第二子电池：在上述石墨烯连接层的MoO3第三连接层上制作第二子电池，根据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，丝网印刷法等工艺完成第二子电池的制作，第二子电池的制作按照第三界面层、第二光敏层和第四界面层的顺序依次进行；
S7、制备反射电极：在第二子电池上通过热蒸发的方法沉积一层80-200nm的Al、Ag或者Au作为反射电极，获得石墨烯太阳能电池。
本发明能够获得成功是基于以下几点：本发明采用石墨烯作为太阳能电池的连接层，石墨烯具备极佳可见光透过性和导电性，有利于更多的光子进入第二子电池，也有利于电子的收集，并最终有利于提高叠层太阳能电池的效率。石墨烯具备极强的稳定性，抗腐蚀性强，与溶液工艺兼容，不但有利于后续太阳能电池的各种溶液工艺的进行，更有利于提高电池的寿命。石墨烯连接层的TiO2第一连接层的制备避免了高温烧结工艺，降低了连接层的制备对第一子电池的影响，且所得的TiO2第一连接层电子传输性能优异，有利于第一子电池中的光生电子更好的被连接层收集，从而提高电池的能量转换效率。石墨烯连接层的MoO3第三连接层采用真空热蒸镀的MoO3,制备方法简单，此法形成的MoO3功函数高，可以提高器件的内建电场，促进空穴的收集。总的来说，本发明的TiO2/石墨烯/MoO3组成的复合连接层，界面特性良好，界面稳定，作为叠层太阳能电池的连接层，有利于提高电池的能量转换效率和电池的寿命。
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 (6)
1.一种石墨烯太阳能电池，自下而上包括：衬底(1)、透明阳极(2)、第一子电池(3)、石墨烯连接层(4)、第二子电池(5)、反射电极(5)，其特征在于：所述石墨烯连接层(4)为三层薄膜结构，包括TiO2第一连接层(401)、石墨烯第二连接层（402）和MoO3第三连接层(403)，所述的TiO2第一连接层(401)、石墨烯第二连接层（402）和MoO3第三连接层(403)成的三明治结构，所述的TiO2第一连接层(401)的厚度为10-20nm，石墨烯第二连接层（402）厚度20-30nm，MoO3第三连接层(403)的厚度为5-10nm；
所述的衬底(1)包括但不限于玻璃、石英等硬质透明衬底以及PET、PEN、PI、PC及PDMS等聚合物柔性衬底，所述衬底在可见光波段的平均透光率高于90％；
所述透明阳极(2)为ITO，所述ITO透明阳极(2)厚度100-200nm，方块电阻小于20Ω，在可见光波段的平均透光率高于90％。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯太阳能电池，其特征在于：所述第一子电池(3)包括第一界面层(301)、第一光敏层(302)和第二界面层(303)组成，所述第二子电池(5)包括第三界面层(501)、第二光敏层(502)和第四界面层(503)组成，所述的第一界面层(301)和第三界面层(501)为P型材料，所述第二界面层(303)和第四界面层(503)为N型材料，所述第一光敏层(302)和第二光敏层(502)材料包括但不限于有机材料、有机无机杂化钙钛矿材料。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯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、清洗衬底：将在衬底依次置于去离子水、丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗10min，清洗完成后在120℃的鼓风干燥箱中烘干；
S2、制备ITO透明阳极：在衬底上通过磁控溅射的方法生长一层100-200nm的ITO作为透明阳极；
S3、基底清洗：将在生长有ITO的依次置于去、丙酮、去离子水和异丙醇中超声清洗15min，清洗完成后使用高纯氮气吹干，吹干后在254nm的紫外灯下照射处理20分钟待用；
S4、制备第一子电池：ITO透明阳极上制作第一子电池，根据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，丝网印刷法等工艺完成第一子电池的制作，第一子电池的制作按照第一界面层、第一光敏层和第二界面层的顺序依次进行；
S5、制备石墨烯连接层：在上述第一子电池的第二界面层上按照TiO2第一连接层、石墨烯第二连接层和MoO3第三连接层的顺序依次完成石墨烯连接层的制备；
S6、制备第二子电池：在上述石墨烯连接层的MoO3第三连接层上制作第二子电池，根据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，丝网印刷法等工艺完成第二子电池的制作，第二子电池的制作按照第三界面层、第二光敏层和第四界面层的顺序依次进行；
S7、制备反射电极：在第二子电池上通过热蒸发的方法沉积一层80-200nm的Al、Ag或者Au作为反射电极，获得石墨烯太阳能电池。
4.根据权利要求3所述的一种石墨烯的钙钛矿太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述TiO2第一连接层的制备包括步骤：以钛酸四丁酯为原料，通过水解得到TiO2纳米晶溶胶；将所得溶胶加热到70-90℃反应60min-12min后升温至140-160℃反应20min-3min，然后降温至70-90℃反应60min-12min，接着再升温至140-160℃反应20min-30min；重复上述操作2-5次，得到高分散性TiO2纳米晶溶胶；将上述所得高分散性TiO2纳米晶溶胶用稀释剂稀释，得到稀释后的高分散性TiO2纳米晶溶胶；所述稀释剂选自甲醇、乙醇、丙醇、二甲亚砜中的一种；稀释剂的用量为溶胶体积的9-99倍；以所得稀释后的高分散性TiO2纳米晶溶胶为膜料，通过旋转涂覆成膜工艺，使膜料在第一子电池上成膜，成膜后在20-40℃进行非退火干燥，完成TiO2第一连接层的制备。
5.根据权利要求3所述的一种石墨烯太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述石墨烯第二连接层薄膜通过化学气相沉积方法在铜箔表面制备，并通过转移至TiO2第一连接层上，其厚度为20-30nm。
6.根据权利要求3所述的一种石墨烯太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述MoO3第三连接层的制备通过真空热沉积的方法制备，沉积本底真空度小于10-4Pa，沉积过程中，MoO3的沉积速率控制在0.02-0.05nm/s，沉积厚度5-10nm。
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