一种太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明涉及一种太阳能电池，所述太阳能电池由下至上依次包括：硅片层、氧化石墨烯层和石墨烯层。本发明提供的太阳能电池大大提高了硅/石墨烯太阳能电池的效率，且成本低廉。

权利要求

1.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池由下至上依次包括：硅片层、氧化石墨烯层和石墨烯层；

所述氧化石墨烯层中氧碳比为0.8～3.0；

所述氧化石墨烯层的厚度为1～10nm。

2.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述氧化石墨烯层中氧碳比为0.9～

1.5。

3.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述氧化石墨烯层的厚度为2～6nm。

4.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为0.8nm～8nm。

5.如权利要求4所述的太阳能电池，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为2～6nm。

6.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述硅片层的厚度为300～500μm。

7.如权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，当所述太阳能电池的面积为0.09cm2时，其光电转化率为4％～6％。

8.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池通过将权利要求1～7之一所述太阳能电池进行化学掺杂得到。

9.如权利要求8所述的太阳能电池，其特征在于，当所述太阳能电池的面积为0.09cm2时，其光电转化率为8％～9％。

10.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池通过在权利要求1～7之一所述太阳能电池表面涂覆减反射层得到。

11.一种太阳能电池，其特征在于，所述太阳能电池通过在权利要求8或9所述太阳能电池表面涂覆减反射层得到。

12.如权利要求10或11所述的太阳能电池，其特征在于，所述减反射层的材料选自TiO2、MgF2或SiO2中的任意1种或至少2种的组合。

13.如权利要求8、10和11之一所述的太阳能电池，其特征在于，当所述太阳能电池的面积为0.09cm2时，其光电转化率为10％～13％。

14.一种如权利要求1～7之一所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)提供一硅基底，清洗除去硅基底上的污染物；

(2)在步骤(1)所述硅基底上转移氧化石墨烯获得氧化石墨烯界面层，得到硅片层/氧化石墨烯层的结构；

(3)将步骤(2)得到的硅片层/氧化石墨烯层的结构进行热处理；

(4)在步骤(3)的氧化石墨烯层上转移石墨烯层，得到太阳能电池。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述热处理为煅烧处理。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度为200～600℃。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度为300～500℃。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度为400℃。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述煅烧的时间为10～120min。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述煅烧的时间为20～40min。

21.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述转移氧化石墨烯的方法选自旋涂、提拉、化学自组装中的任意1种。

22.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述转移氧化石墨烯的过程中，所使用的氧化石墨烯溶液的浓度是0.1～10mg/mL。

23.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述清洗除去硅基底上的污染物的步骤RCA标准清洗步骤。

24.一种如权利要求8或9所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法在权利要求16所述方法步骤(4)之后进行步骤(5a)：对石墨烯进行化学掺杂。

25.如权利要求24所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述化学掺杂的试剂HNO3、HCl或Au中的任意1种。

26.如权利要求24所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述化学掺杂的试剂为HNO3掺杂。

27.一种如权利要求10所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法在权利要求15所述方法步骤(4)之后进行步骤(5b)：把含有减反射层材料的悬浊液涂覆在太阳能电池表面。

28.一种如权利要求11所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述方法在权利要求25所述方法步骤(5a)之后进行步骤(5b)：把含有减反射层材料的悬浊液涂覆在太阳能电池表面。

说明书

一种太阳能电池及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种太阳能电池及其制备方法，尤其涉及一种石墨烯肖特基结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

[0002] 太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”“，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片，它只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流。目前最常用的太阳能电池是多晶硅电池，其工作原理是基于p-n结。虽然多晶硅电池稳定，转化率较高，但是其存在高能耗、污染大、制备过程繁琐等问题。目前，人们正在全力寻找可以代替硅的材料，以期制备出效率更高，成本更低，更加环保的电池。

[0003] 石墨烯作为第一种能够常温下稳定存在的二维晶体，具有很多优异的性质，比如说很高的电子迁移率（常温下可达到2.5×105cm2V-1S-1），优异的机械性能（杨氏模量1TPa），高导热系数（3000WmK-1）。这些优异的性能另其在很多领域都有着潜在的应用，比如在光伏器件中的应用。CN101771092A公开了一种涉及到石墨烯的基于肖特基异质结的太阳能电池。该电池结构简单，成本低廉，具有一定的转化率（1.6%）。

[0004] 目前已有的改进石墨烯/硅电池的方法有两种。第一种方法是通过化学掺杂来改善石墨烯的电学性质。文献1（X.C.Miao,S.Tongay,M.K.Petterson,K.Berke,A.G.Rinzler,B.R.Appleton,A.F.Hebard,Nano Letters2012,12,2745-2750.）采用双（三氟甲磺酰基）酰胺（TFSA）对石墨烯进行化学掺杂，电池效率提高了4.6倍（1.9%到8.6%）。但化学掺杂对单层石墨烯效果最明显，随着层数的增多，其效果逐渐下降。另一种方法是采用减反射层来改进石墨烯/硅电池的效率（E.Shi,H.Li,L.Yang,L.Zhang,Z.Li,P.Li,Y.Shang,S.Wu,X.Li,J.Wei,K.Wang,H.Zhu,D.Wu,Y.Fang,A.Cao,Nano Letters2013,13,1776-1781.），但是该方法只能增加电池的吸光，并没有从本质上来改善电池的效率。

[0005] 由此可以看出，本领域需要进一步提高太阳能电池的光电转化率。

发明内容

[0006] 本发明旨在提供一种简单，有效的方法来提高太阳能电池效率及该方法得到的太阳能电池。

[0007] 本发明的目的之一在于提供一种石墨烯太阳能电池，所述太阳能电池由下至上依次包括：硅片层、氧化石墨烯层和石墨烯层。

[0008] 本发明通过在石墨烯和硅之间设置氧化石墨烯层，有效的对硅表面态进行钝化，提高肖特基势垒的高度，从而提高了太阳能电池的效率。

[0009] 优选地，所述氧化石墨烯层中氧碳比为0.8～3.0，优选0.9～1.5。

[0010] 氧化石墨烯层的成分为氧化石墨烯，氧化石墨烯中的氧碳比（O/C）影响了载流子在太阳能界面处的传输，因此对电池转化率具有很大的影响。因此，选择具有合适氧碳比的氧化石墨烯，能够更加有效的提高太阳能电池的光电转化率。

[0011] 优选地，所述氧化石墨烯层的厚度为1～10nm，优选2～6nm。

[0012] 给氧化石墨烯层选择合适的厚度可以有效提高电池效率，低于1nm会使氧化石墨烯薄膜不连续，高于10nm会因为厚度过高影响载流子传输，增加载流子在氧化石墨烯中的复合，都会降低电池效率。

[0013] 优选地，所述石墨烯层的厚度为0.8nm～8nm，优选2～6nm。

[0014] 10层以内的多层石墨烯有利于提高电池效率。因此我们选用的石墨烯厚度为0.8～8nm，约为1～10层。

[0015] 优选地，所述硅片层的厚度为300～500μm。

[0016] 优选地，当所述太阳能电池的面积为0.09cm2时，其光电转化率为5%。

[0017] 本发明的目的之二是提供一种太阳能电池，所述太阳能电池通过将目的之一所述太阳能电池进行化学掺杂得到。

[0018] 本发明目的之二所述太阳能电池具有如下性能：

[0019] 当所述太阳能电池的面积为0.09mm2时，其光电转化率为8%～9%。

[0020] 本发明的目的之三是提供一种太阳能电池，所述太阳能电池通过在目的之一所述太阳能电池表面涂覆减反射层得到；

[0021] 或者，所述太阳能电池通过在目的之二所述太阳能电池表面涂覆减反射层得到。

[0022] 优选地，所述减反射层的材料选自TiO2、MgF2或SiO2中的任意1种或至少2种的组合。

[0023] 本发明目的之三所述太阳能电池具有如下性能：

[0024] 当所述太阳能电池的面积为0.09cm2时，其光电转化率为10%～13%。

[0025] 本发明的目的之四是提供一种如目的之一所述的太阳能电池的制备方法，所述方法包括如下步骤：

[0026] （1）提供一硅基底，清洗除去硅基底上的污染物；

[0027] （2）在步骤（1）所述硅基底上转移氧化石墨烯获得氧化石墨烯界面层，得到硅片层/氧化石墨烯层的结构；

[0028] （3）将步骤（2）得到的硅片层/氧化石墨烯层的结构进行热处理；

[0029] （4）在步骤（3）的氧化石墨烯层上转移石墨烯层，得到太阳能电池。

[0030] 本发明通过将层状结构进行热处理能够控制氧化石墨烯层中的氧碳比在0.8～3.0之间，减少氧化石墨烯层中的水分，并且可以增加氧化石墨烯层的密实度，从而进一步提高太阳能电池的光电转化效率。

[0031] 步骤（3）所述热处理的方式不做具体限定，优选为煅烧处理，所述煅烧的温度为200～600℃，优选300～500℃，进一步优选400℃。煅烧温度过高，或者煅烧温度过低都会降低电池效率。

[0032] 优选地，步骤（3）所述煅烧的时间为10～120min，优选20～40min。

[0033] 优选地，步骤（2）所述转移氧化石墨烯的方法选自旋涂、提拉、化学自组装中的任意1种。

[0034] 本发明所述旋涂、提拉、化学自组装转移氧化石墨烯是本领域技术人员有能力获得的转移石墨烯的方法，本发明不做具体限定。

[0035] 优选地，步骤（2）所述转移氧化石墨烯的过程中，所使用的氧化石墨烯溶液的浓度是0.1～10mg/mL。

[0036] 本发明步骤（4）所述在硅基底上转移石墨烯层的方法本领域有很多，本发明不做具体限定，本领域技术人员可以根据实际情况和所掌握的专业知识进行选择，例如PMMA转移石墨烯等。

[0037] 优选地，步骤（1）所述清洗除去硅基底上的污染物的步骤RCA标准清洗步骤。

[0038] RCA标准清洗步骤是目前最为普遍使用的湿式化学清洗法，本发明不做具体限定。

[0039] 本发明的目的之五是提供一种如目的之二所述的太阳能电池的制备方法，所述方法在目的之四所述方法步骤（4）之后进行步骤（5a）：对石墨烯进行化学掺杂，所述化学掺杂的试剂有HNO3、HCl、Au中的任意1中，优选HNO3掺杂。所述HNO3掺杂为硝酸的蒸汽掺杂，即将带掺杂样品置于硝酸的蒸汽中进行，是本领域公知的方法，本发明不做具体限定。

[0040] 本发明的目的之六是提供一种如目的之三所述的太阳能电池的制备方法，所述方法在目的之四所述方法步骤（4）之后进行步骤（5b）：把含有减反射层材料的悬浊液涂覆在太阳能电池表面；

[0041] 或者，所述方法在目的之五所述方法步骤（5a）之后进行步骤（5b）：把含有减反射层材料的悬浊液涂覆在太阳能电池表面。

[0042] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0043] 大大提高了硅/石墨烯太阳能电池的效率，普通的硅/石墨烯太阳能电池的效率只有2%左右，本发明提供的硅/氧化石墨烯/石墨烯太阳能电池的效率可以提高100%，达到4～6%左右；甚至于，经过对硅/氧化石墨烯/石墨烯太阳能电池进行后续的掺杂和涂覆减反射层处理后，其光电转化效率能够高达13%。另外，本发明提供的太阳能电池的制作成本比较低廉。

附图说明

[0044] 图1为实施例1提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线；

[0045] 图2为实施例2提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线；

[0046] 图3为实施例3提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线；

[0047] 图4为实施例4提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线；

[0048] 图5为实施例5提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线；

[0049] 图6为实施例6提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线；

[0050] 图7为对比例提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

具体实施方式

[0051] 为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

[0052] 实施例1

[0053] 一种太阳能电池，其由下至上依次包括：300μm厚的硅片层、10nm厚的氧化石墨烯层和3nm厚的石墨烯层；其中，氧化石墨烯层中的氧碳比为3.0左右；

[0054] 所述太阳能电池的制备方法包括如下步骤：

[0055] （1）提供一硅基底，采用RCA标准清洗步骤清洗硅基底，除去其上的污染物；

[0056] （2）配制10mg/mL的氧化石墨烯溶液，在步骤（1）所述硅基底上旋涂氧化石墨烯获得氧化石墨烯界面层，得到硅片层/氧化石墨烯层的结构；所述旋涂的操作条件为将氧化石墨烯溶液滴在硅基底上，然后在2000转/分钟速度下旋涂60秒：

[0057] （3）将步骤（2）得到的硅片层/氧化石墨烯层的结构在200℃下煅烧120min，得到太阳能电池;

[0058] （4）在步骤（3）的氧化石墨烯层上转移石墨烯层，得到太阳能电池；所述在氧化石墨烯层上转移石墨烯层的具体步骤为：首先在石墨烯上面涂一层PMMA保护层，然后把PMMA/3+
石墨烯/铜（基底）置于刻蚀液中（含Fe 离子溶液，比如0.5M FeCl3溶液）中，待到铜完全刻蚀干净以后，把PMMA/石墨烯在去离子水中漂洗几次以去除Fe3+离子，然后把其转移到硅/氧化石墨烯上即可。

[0059] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE（效率）=4.1%。

[0060] 图1为实施例1提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0061] 实施例2

[0062] 一种太阳能电池，其由下至上依次包括：300μm厚的硅片层、4nm厚的氧化石墨烯层和5.6nm厚的石墨烯层；其中，氧化石墨烯层中的氧碳比为0.8左右；

[0063] 所述太阳能电池的制备方法包括如下步骤：

[0064] （1）提供一硅基底，采用RCA标准清洗步骤清洗硅基底，除去其上的污染物；

[0065] （2）配制5mg/mL的氧化石墨烯溶液，在步骤（1）所述硅基底上提拉氧化石墨烯获得氧化石墨烯界面层，得到硅片层/氧化石墨烯层的结构；所述提拉的操作条件为：将硅片至于氧化石墨烯溶液中1min，然后以0.2mm/s的速度拉起；

[0066] （3）将步骤（2）得到的硅片层/氧化石墨烯层的结构在600℃下煅烧10min，得到太阳能电池;

[0067] （4）在步骤（3）的氧化石墨烯层上转移石墨烯层，得到太阳能电池；所述在氧化石墨烯层上转移石墨烯层的具体步骤为：首先在石墨烯上面涂一层PMMA保护层，然后把PMMA/石墨烯/铜（基底）置于刻蚀液中（含Fe3+离子溶液，比如0.5M FeCl3溶液）中，待到铜完全刻蚀干净以后把PMMA/石墨烯在去离子水中漂洗几次以去除Fe3+离子，然后把其转移到硅/氧化石墨烯上即可。

[0068] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE（效率）=4.2%。

[0069] 图2为实施例2提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0070] 实施例3

[0071] 一种太阳能电池，其由下至上依次包括：300μm厚的硅片层、1nm厚的氧化石墨烯层和8nm厚的石墨烯层；其中，氧化石墨烯层中的氧碳比为1.3左右；

[0072] 所述太阳能电池的制备方法包括如下步骤：

[0073] （1）提供一硅基底，采用RCA标准清洗步骤清洗硅基底，除去其上的污染物；

[0074] （2）配制0.1mg/mL的氧化石墨烯溶液，在步骤（1）所述硅基底上旋涂氧化石墨烯获得氧化石墨烯界面层，得到硅片层/氧化石墨烯层的结构；所述旋涂的操作条件为将氧化石墨烯溶液滴在硅基底上，然后在2000转/分钟速度下旋涂60秒；

[0075] （3）将步骤（2）得到的硅片层/氧化石墨烯层的结构在400℃下煅烧30min，得到太阳能电池;

[0076] （4）在步骤（3）的氧化石墨烯层上转移石墨烯层，得到太阳能电池；所述在氧化石墨烯层上转移石墨烯层的具体步骤为：首先在石墨烯上面涂一层PMMA保护层，然后把PMMA/石墨烯/铜（基底）置于刻蚀液中（含Fe3+离子溶液，比如0.5M FeCl3溶液）中，待到铜完全刻蚀干净以后把PMMA/石墨烯在去离子水中漂洗几次以去除Fe3+离子，然后把其转移到硅/氧化石墨烯上即可。

[0077] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE（效率）=5.2%。

[0078] 图3为实施例3提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0079] 实施例4

[0080] 一种太阳能电池，其制备步骤为：将实施例3中的太阳能电池用65%的HNO3蒸汽进行化学掺杂；

[0081] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE=8.2%。

[0082] 图4为实施例4提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0083] 实施例5

[0084] 一种太阳能电池，其制备步骤为：在实施例1中的太阳能电池的石墨烯层表面旋涂一层TiO2薄膜，具体旋涂步骤为：将约1mg/mL浓度的TiO2溶液以4000rpm速度旋涂到石墨烯表面即可。

[0085] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE=6.7%。

[0086] 图5为实施例5提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0087] 实施例6

[0088] 一种太阳能电池，其制备步骤为：在实施例1中的太阳能电池的石墨烯层表面旋涂一层TiO2薄膜，具体旋涂步骤为：将约1mg/mL浓度的TiO2溶液以4000rpm速度旋涂到石墨烯表面即可。

[0089] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE=12.3%。

[0090] 图6为实施例6提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0091] 对比例

[0092] 一种太阳能电池，其由下至上依次包括：300μm厚的硅片层和5.6nm厚的石墨烯层；

[0093] 所述太阳能电池的制备方法包括如下步骤：

[0094] （1）提供一硅基底，采用RCA标准清洗步骤清洗硅基底，除去其上的污染物；

[0095] （2）在步骤（1）的硅基底上转移石墨烯层，得到太阳能电池；所述在硅基底上转移石墨烯层的具体步骤为：首先在石墨烯上面涂一层PMMA保护层，然后把PMMA/石墨烯/铜（基底）置于刻蚀液中（含Fe3+离子溶液，比如0.5M FeCl3溶液）中，待到铜完全刻蚀干净以后把PMMA/石墨烯在去离子水中漂洗几次以去除Fe3+离子，然后把其转移到硅/氧化石墨烯上即可。

[0096] 本实施例提供的太阳能电池的性能参数为：PCE（效率）=2.13%。

[0097] 图7为对比例提供的太阳能电池的电压/电流密度曲线。

[0098] 由实施例1～6和对比例可以看出，在硅片层和石墨烯层之间创新性地引入氧化石墨烯层能够大大提高太阳能电池的光电转化效率。

[0099] 申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。