CN115000215A - 一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳电池领域，公开了一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池及其制备方法。本发明的太阳电池自下而上的结构依次包括：Au背面电极、GaAs衬底、石墨烯层、空穴传输层、减反射层、介电层和Ag正面电极，所述空穴传输层由PEDOT:PSS制备得到，该空穴传输层，利用PEDOT:PSS材料的高导电率特性和不对称的载流子选择性传输特点，将石墨烯层的空穴引到外电路，提高空穴在石墨烯层的迁移率，提升肖特基结太阳电池间的填充因子，从而显著提高肖特基结太阳电池的光电转换效率，相比于外延生长的空穴传输结构，能使肖特基结太阳电池具有更优良的电导性，且材料易得，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及太阳电池领域，更具体地，涉及一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着地球人口数量的不断增长，全球的化石燃料能源的消耗需求越来越大，人们亟需解决未来化石燃料能源储量不足以维持全球能源市场需求的问题。因此，越来越多的学者将研究兴趣放在以太阳能为代表的可再生能源上。目前，商用的太阳电池多以传统的硅基p-n结太阳电池为主，研究人员通过改善其有机材料和无几材料的界面特性来影响太阳电池的光电转换效率。
例如，现有技术公开了一种新型异质结光伏电池及其制备方法，先在N型硅片的上表面的部分区域上形成多个P型扩散区，然后再旋涂PEDOT：PSS溶液形成PEDOT：PSS层，使该新型异质结光伏电池中，一部分N型硅片与P型扩散区形成PN结，剩余部分的N型硅片与PEDOT：PSS层形成肖特基结，且通过优化P型扩散区尺寸以及相邻P型扩散区的间距，使得各P型扩散区均匀分散在n型硅片上，结合PN结和肖特基结的优势，有效提高电池的开路电压，以提高其光电转换效率。
然而，以上存在着制备工艺复杂、生产过程能耗高等问题。为了满足能源市场的需求，发展具有低成本的太阳电池技术刻不容缓。为此，人们利用具有高透光性和高导电性的石墨烯材料，与直接带隙类型的GaAs太阳电池接触形成肖特基结，得到工艺简单和成本低的肖特基结太阳电池。但是其光电转化效率仍旧不理想，对于单结的肖特基结太阳电池，从引入具有不对称电导率的空穴传输层和电子传输层等工作入手，可以进一步提升其填充因子和光电转换效率。
现有技术公开了一种石墨烯/GaAs肖特基结太阳能电池及其制备方法，太阳能电池由下至上依次包括背面电极、GaAs片、空穴传输层、石墨烯层、正电极；还包括钝化膜层。制备方法为：(1)在GaAs片的一面镀上背电极，将GaAs片中镀有背电极的一面称为下表面，另一面称为上表面；在GaAs片的上表面镀上空穴传输层；或在镀空穴传输层之前，将镀有背电极的GaAs片置于钝化剂中钝化处理，形成钝化膜；(2)将石墨烯转移至空穴传输层上，获得石墨烯层；(3)在石墨烯层上制备正电极。该发明加入由氧化钼层、氧化镍层或氧化钼层与氧化镍层叠加而成的膜层作为空穴传输层，减少电子和空穴的复合，增大光生电流，实现太阳能电池高的光电转换效率。
现有技术公开了一种含有CuSCN空穴传输层的GaAs太阳电池及其制备方法。该发明的太阳电池的结构由下至上一次为Au背电极、GaAs衬底，CuSCN空穴传输层，石墨烯层和银浆顶电极，通过n型GaAs与P型CuSCN之间形成异质结，GaAs衬底受光激发产生电子空穴对，空穴通过CuSCN空穴传输层输送至石墨烯薄膜并通往外电路，与此同时CuSCN与GaAs之间存在着很高的势垒，阻碍了电子往石墨烯一侧运动，有利于降低载流子的复合，维持电势差。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的肖特基结太阳电池的光电转换效率低，制造工艺复杂等问题，提供一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池。
同时，提供一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，其结构自下而上依次包括：背面电极、GaAs衬底、石墨烯层、PEDOT:PSS空穴传输层、减反射层、介电层和正面电极。
当太阳电池工作时，光子在石墨烯/GaAs肖特基结处发生吸收，产生光生电子-空穴对，利用PEDOT:PSS材料具有的高空穴迁移率，来加快空穴在正面电极处的收集，以提高器件的填充因子和光电转换效率；
优选地，所述PEDOT:PSS空穴传输层由PEDOT:PSS制备得到，厚度为80～120nm；所述减反射层为20～100nm厚度的Al2O3减反射层。
优选地，所述GaAs衬底为N型掺杂的GaAs外延层，晶向为[100]，n型掺杂浓度为1×1017～3×1018cm-3。
优选地，所述背面电极的厚度为100～250nm的Au电极；GaAs衬底的厚度为300～380μm；石墨烯层为1～5层原子厚度；正面电极为Ag电极，厚度为2～5μm。
优选地，所述背面电极为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡和铝掺杂氧化锌中的一种或几种的复合电极；所述正面电极为金、锗、镍、银、铝、钯、钛、铬、铜、氧化铟锡和铝掺杂氧化锌中的一种或几种的复合电极。
一种所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，包含以下步骤：
步骤一，在洁净的N型GaAs衬底的一面蒸镀背面电极，退火处理得到背面电极/N型GaAs衬底；
步骤二，将石墨烯层转移至步骤一N型GaAs衬底的另一面，干燥后得到背面电极/N型GaAs衬底/石墨烯；
步骤三，将PEDOT：PSS水溶液、有机溶剂和表面活性剂混合均匀，得到PEDOT：PSS旋涂液；
步骤四，将步骤三的PEDOT：PSS旋涂液旋涂到步骤二的石墨烯层上形成PEDOT:PSS空穴传输层，然后退火处理；
步骤五，在步骤四的PEDOT:PSS空穴传输层上蒸镀Al2O3，得到减反射层；
步骤六，在步骤五的减反射层的四周加工上介电层，再将正面电极材料涂在所述介电层与减反射层的边界处，形成正面电极，烘干，即得到具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池。
优选地，步骤一蒸镀背面电极前先对所述N型GaAs衬底进行清洁，步骤二将石墨烯层转移至步骤一N型GaAs衬底前进行清洁；清洁方法如下：依次用丙酮、无水乙醇、水进行超声清洗，然后用酸溶液去除GaAs衬底表面氧化层，最后用氮气吹干。
优选地，步骤一背面电极的蒸镀速率为0.5～2nm/s；退火处理为将蒸镀后的N型GaAs衬底加热至250～400℃，保温10～40s后，降温至室温。
优选地，步骤二的干燥温度为100～200℃；将干燥后的背面电极/N型GaAs衬底/石墨烯进行清洗和干燥处理。
优选地，步骤三所述PEDOT：PSS旋涂液中，PEDOT：PSS水溶液的质量分数为90％～96.5％，有机溶剂的质量分数为3％～8％，表面活性剂的质量分数为0.5％～2％。
优选地，所述有机溶剂包括二甲亚砜。所述表面活性剂包括Triton X-100。
优选地，步骤四中所述退火处理为加热至温度120～140℃，热处理时间为15～30min；步骤五中所述减反射层的蒸镀速率为0.2～0.5nm/s；步骤六中所述烘干的温度为80～120℃，加热烘干时间为30～50min。
优选地，所述蒸镀为采用电子束蒸发系统中进行蒸镀。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明在石墨烯/GaAs异质结中引入PEDOT:PSS空穴传输层，利用PEDOT:PSS材料的高导电率特性和不对称的载流子选择性传输特点，将石墨烯层的空穴引到外电路，提空穴在石墨烯层的迁移率，提升石墨烯/GaAs太阳电池间的填充因子，从而显著提高肖特基结太阳电池的光电转换效率。
本发明引入PEDOT:PSS空穴传输层，其太阳电池的填充因子增加了75.5，进而光电转化效率也大幅提升了3.4倍。从开路电压和短路电流密度看，也都显著提升。
本发明使用GaAs衬底，相对于硅片，其填充因子、光电转化效率也大幅提升。从开路电压和短路电流密度看，也都显著提升。
附图说明
图1为具有PEDOT：PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的结构示意图，其中：1、背面电极；2、GaAs衬底；3、石墨烯层；4、空穴传输层；5、减反射层；6、介电层；7、正面电极。
图2为实施例1具有PEDOT：PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池实物图。
图3为实施例1具有PEDOT：PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池和对比例1的太阳电池的电流-电压曲线图。
图4为实施例1具有PEDOT：PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池和对比例1的太阳电池的填充因子对比示意图。
图5为实施例1具有PEDOT：PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池和对比例1的太阳电池的光电转换效率对比示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，用丙醇、无水乙醇、去离子水依次对厚度为300μm的N型GaAs衬底进行超声清洗后，浸泡于10％HCl溶液中去除其表面氧化层，用去离子水清洗，再在氮气气流下吹干。
然后，在N型GaAs衬底其中一面上，利用电子束蒸发系统以1.2nm/s的速率蒸镀Au得到厚度为120nm的Au背面电极，并以300℃的温度退火15s，再重复上述清洗步骤得到Au背面电极/N型GaAs衬底；
步骤二，将去除铜基底的厚度为3个原子的石墨烯层转移至步骤一蒸镀上Au背面电极的N型GaAs衬底的另一面，保证石墨烯与N型GaAs衬底紧密接触。在100℃的条件下烘干20min，然后在50℃的丙酮中浸泡15min去除其表面有机物，再在120℃的条件下烘干去除其表面有机物，得到Au背面电极/N型GaAs衬底/石墨烯；
步骤三，将PEDOT：PSS水溶液、二甲基亚砜和Triton X-100混合，搅拌均匀，制备得到PEDOT：PSS旋涂液；其中，PEDOT：PSS水溶液的质量分数为94％，有机溶剂的质量分数为5％，表面活性剂的质量分数为1％。
步骤四，用匀胶机以4000rpm的转速将步骤三的PEDOT：PSS旋涂液旋涂到步骤二的石墨烯层上，持续60s，得到厚度为80nm的空穴传输层，然后在130℃下进行退火处理20min，去除所述空穴传输层上的溶剂；
步骤五，利用电子束蒸发系统以蒸镀速率为0.4nm/s在步骤四的空穴传输层上蒸镀Al2O3得到厚度为30nm的Al2O3减反射层；
步骤六，在Al2O3减反射层的四周贴上绝缘胶带作为介电层，保证所围窗口面积为3mm×3mm，再将Ag浆涂覆于绝缘胶带介电层与Al2O3减反射层的边界处作为Ag正面电极，保证Ag浆与Al2O3减反射层紧密接触，然后置于115℃的加热板上进行烘干，正面电极为Ag电极，厚度为3μm，即得到具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，并进行性能测试。
具体地，N型GaAs衬底具有晶向为[100]，N型掺杂浓度为1×1017～3×1018cm-3。
实施例2
一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一，用丙醇、无水乙醇、去离子水依次对厚度为300μm的N型GaAs衬底进行超声清洗后，浸泡于10％HCl溶液中去除其表面氧化层，用去离子水清洗，再在氮气气流下吹干。
然后，在N型GaAs衬底其中一面上，利用电子束蒸发系统以0.5nm/s的速率蒸镀Au得到厚度为250nm的Au背面电极，并以250℃的温度退火40s，再重复上述清洗步骤得到Au背面电极/N型GaAs衬底；
步骤二，将去除铜基底的厚度为1个原子的石墨烯层转移至步骤一蒸镀上Au背面电极的N型GaAs衬底的另一面，保证石墨烯与N型GaAs衬底紧密接触。在100℃的条件下烘干20min，然后在50℃的丙酮中浸泡15min去除其表面有机物，再在120℃的条件下烘干去除其表面有机物，得到Au背面电极/N型GaAs衬底/石墨烯；
步骤三，将PEDOT：PSS水溶液、二甲基亚砜和Triton X-100混合，搅拌均匀，制备得到PEDOT：PSS旋涂液；其中，PEDOT：PSS水溶液的质量分数为95％，有机溶剂的质量分数为3.5％，表面活性剂的质量分数为1.5％。
步骤四，用匀胶机以4000rpm的转速将步骤三的PEDOT：PSS旋涂液旋涂到步骤二的石墨烯层上，持续60s，得到厚度为120nm的空穴传输层，然后在130℃下进行退火处理25min，去除所述空穴传输层上的溶剂；
步骤五，利用电子束蒸发系统以蒸镀速率为0.4nm/s在步骤四的空穴传输层上蒸镀Al2O3得到厚度为100nm的Al2O3减反射层；
步骤六，在Al2O3减反射层的四周贴上绝缘胶带作为介电层，保证所围窗口面积为3mm×3mm，再将Ag浆涂覆于绝缘胶带介电层与Al2O3减反射层的边界处作为Ag正面电极，保证Ag浆与Al2O3减反射层紧密接触，然后置于80℃的加热板上进行烘干，正面电极为Ag电极，厚度为2μm，即得到具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，并进行性能测试。
具体地，N型GaAs衬底具有晶向为[100]，N型掺杂浓度为1×1017～3×1018cm-3。
实施例3～5
实施例3～5中，具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法与实施例1相同，不同之处如表1所示，将具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池进行性能测试。
表1实施例3～5的工艺表
对比例1
对比例1和实施例1的制备条件基本相同，不同之处在于：不制备PEDOT：PSS空穴传输层。
对比例2
对比例2和实施例1的制备条件基本相同，不同之处在于：GaAs衬底用硅片代替。
对比例3～6
对比例3～6和实施例1的制备条件基本相同，不同之处在于如表2所示。
表2
| 对比例3 | 对比例4 | 对比例5 | 对比例6 | |
| 空穴传输层厚度nm | 75 | 125 | 90 | 110 |
| 减反射层厚度nm | 85 | 65 | 15 | 110 |
性能检测：
本发明采用通用测试方法，测定实施例1～5和对比例1～6的产品性能，测试结果见表1
表3实施例1～5和对比例1～6的产品性能
以上所有实施例及对比例均在AM1.5、25℃的测试环境下进行测试。
如表3所示，实施例1相对于对比例1，其填充因子增加了75.5，进而光电转化效率也大幅提升了3.4倍。从开路电压和短路电流密度看，也都显著提升。
从对比例2可知，使用GaAs衬底，相对于硅片，其填充因子、光电转化效率也大幅提升。从开路电压和短路电流密度看，也都显著提升。
从对比例3～6可知，空穴传输层厚度、减反射层厚度对太阳电池的性能也有显著影响，本发明选择保护了合适的厚度范围。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，其特征在于，其结构自下而上依次包括：背面电极、GaAs衬底、石墨烯层、PEDOT:PSS空穴传输层、减反射层、介电层和正面电极。
2.根据权利要求1所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，其特征在于，所述PEDOT:PSS空穴传输层由PEDOT:PSS制备得到，厚度为80～120nm；所述减反射层为20～100nm厚度的Al2O3减反射层。
3.根据权利要求1所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，其特征在于，所述GaAs衬底为N型掺杂的GaAs外延层，晶向为[100]，n型掺杂浓度为1×1017～3×1018cm-3。
4.根据权利要求1所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池，其特征在于，所述背面电极的厚度为100～250nm的Au电极；GaAs衬底的厚度为300～380μm；石墨烯层为1～5层原子厚度；正面电极为Ag电极，厚度为2-5μm。
5.一种权利要求1～4任意一项所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，在洁净的N型GaAs衬底的一面蒸镀背面电极，退火处理得到背面电极/N型GaAs衬底；
步骤二，将石墨烯层转移至步骤一N型GaAs衬底的另一面，干燥后得到背面电极/N型GaAs衬底/石墨烯；
步骤三，将PEDOT：PSS水溶液、有机溶剂和表面活性剂混合均匀，得到PEDOT：PSS旋涂液；
步骤四，将步骤三的PEDOT：PSS旋涂液旋涂到步骤二的石墨烯层上形成PEDOT:PSS空穴传输层，然后退火处理；
步骤五，在步骤四的PEDOT:PSS空穴传输层上蒸镀Al2O3，得到减反射层；
步骤六，在步骤五的减反射层的四周加工上介电层，再将正面电极材料涂在所述介电层与减反射层的边界处，形成正面电极，烘干，即得到具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池。
6.根据权利要求5所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤一蒸镀背面电极前先对所述N型GaAs衬底进行清洁，步骤二将石墨烯层转移至步骤一N型GaAs衬底前进行清洁；清洁方法如下：依次用丙酮、无水乙醇、水进行超声清洗，然后用酸溶液去除GaAs衬底表面氧化层，最后用氮气吹干。
7.根据权利要求5所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤一背面电极的蒸镀速率为0.5～2nm/s；退火处理为将蒸镀后的N型GaAs衬底加热至250～400℃，保温10～40s后，降温至室温。
8.根据权利要求5所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤二的干燥温度为100～200℃；将干燥后的背面电极/N型GaAs衬底/石墨烯进行清洗和干燥处理。
9.根据权利要求5所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤三所述PEDOT：PSS旋涂液中，PEDOT：PSS水溶液的质量分数为90％～96.5％，有机溶剂的质量分数为3％～8％，表面活性剂的质量分数为0.5％～2％。
10.根据权利要求5所述具有PEDOT:PSS/石墨烯/GaAs结构的太阳电池的制备方法，其特征在于，步骤四中所述退火处理为加热至温度120～140℃，热处理时间为15～30min；步骤五中所述减反射层的蒸镀速率为0.2～0.5nm/s；步骤六中所述烘干的温度为80～120℃，加热烘干时间为30～50min。
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