氟化石墨烯作為高阻層的太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池新，具體地涉及一種以氟化石墨烯薄膜為高阻層的太陽能電池及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，石墨烯以其獨特的二維納米結構和優(yōu)異的電學和熱學性能，吸引了廣大的科學研宄者的關注。石墨烯的功能化產(chǎn)生了石墨烯衍生物，拓寬了石墨烯的廣泛應用領域。石墨烯的衍生物包括氧化石墨烯，氫化石墨烯和氟化石墨烯。新型氟化石墨烯通常用水熱法、物理剝離法或等離子體法制得。在氟化石墨烯表面，氟原子與碳原子以共價鍵的形式結合，將石墨烯從二維變?yōu)槿S結構，也使得其完成了從導體到向半導體或絕緣體的轉變。在氟化過程中，如果石墨烯只有一面暴露在氟源中，氟原子的覆蓋率到達25% (C4F),能帶隙增加為2.93eV，而當石墨烯兩面都暴露在氟源中，氟原子的覆蓋率為100% (CF)時，能帶隙為 3.07eVo
[0003]氟化石墨烯是目前已知的最薄的絕緣體，透光率高，且化學、熱力學性能穩(wěn)定、表面能低，可應用在納米電子器件、光電子器件、以及熱電裝置等領域可作為。此外，氟化石墨烯耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦等特性，所以可以作為鈍化層，抑制金屬薄膜表面被氧化也可以阻擋不同薄膜之間的原子的擴散。
[0004]以碲化鎘薄膜太陽能電池為例，硫化鎘(CdS)窗口層為重摻雜N型區(qū)，碲化鎘(CdTe)吸收層為輕摻P型區(qū)，形成了異質(zhì)結結構。當光照射到太陽能電池上，在PN結處會產(chǎn)生電子空穴對，將光能轉換成電能。為了提高光能轉換效率，透明導電薄膜電極(TCEs)要具有較高的透光率，使得更多的光能傳送到PN結。另外，硫化鎘通常厚度較薄而碲化鎘較厚，使得內(nèi)部電場集中在碲化鎘區(qū)域，以促進在CdTe層產(chǎn)生的電子空穴對的分離。然而當硫化鎘厚度較薄時，硫化鎘薄膜產(chǎn)生針孔效應，即出現(xiàn)不連續(xù)的區(qū)域，導致了 CdTe和前電極TCE之間的直接接觸，產(chǎn)生過多的分流，影響了太陽能電池的效率。通常解決這個問題的方案是在透明電極和硫化鎘薄膜之間增加一層本征氧化物(如1-ZnO)高阻層。但是，以高阻層為氧化鋅為例，氧化鋅薄膜的有效厚度范圍為80-200nm，不利于在CdTe/CdS形成的異質(zhì)結處產(chǎn)生的電子遂穿通過氧化鋅到達前電極。此外，它的透光率也是有一定的限制(~81%)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于以上所述技術存在的缺陷，本發(fā)明目的:提供一種氟化石墨烯作為高阻層的太陽能電池，在太陽能電池中，以0.34~20nm厚的氟化石墨稀薄膜代替本征氧化物作為高阻層。該太陽能電池具有更好的光傳輸率，提高了太陽能電池的光轉換效率。
[0006]本發(fā)明的技術方案是:
一種氟化石墨烯作為高阻層的太陽能電池，所述太陽能電池包括從下到上依次為作為背電極的金屬薄膜層、背接觸層、吸收層、窗口層、氟化石墨烯高阻層和透明導電薄膜層。
[0007]優(yōu)選的，所述氟化石墨稀高阻層的厚度為0.34_20nm。
[0008]優(yōu)選的，所述氟化石墨烯薄膜由以下步驟制備得到:
(1)在冰水浴中將石墨粉、硝酸鈉和濃硫酸混合均勻，然后加入高錳酸鉀，攪拌；
(2)將(I)中的混合液加溫至35-50°C，持續(xù)攪拌5-8h，然后加入高錳酸鉀，保持溫度，反應8-14h;
(3)將上述液體冷卻至室溫，然后加入過氧化氫溶液反應；
(4)待反應結束，將溶液離心，取出沉淀，用去離子水、鹽酸和無水乙醇的混合溶液進行過濾，最后干燥，研磨，得到氧化石墨烯粉；
(5)在得到的氧化石墨烯粉中加入去離子水，經(jīng)過超聲處理得到氧化石墨烯分散液；
(6)將上述分散液加入帶有聚四氟乙烯的內(nèi)襯的水熱釜內(nèi)，同時加入氫氟酸，將水熱釜密封，并置于烘箱內(nèi)，待反應完成，冷卻至室溫；
(7)最后過濾、洗滌、烘干，得到氟化石墨稀薄膜。
[0009]優(yōu)選的，所述步驟(I)中的高錳酸鉀與步驟(2)中的高錳酸鉀的重量相等，其中步驟(I)的高錳酸鉀等分后依次緩慢加入混合液中，步驟(2)的高錳酸鉀一次性加入混合液中。
[0010]優(yōu)選的，所述鹽酸和過氧化氫溶液的濃度都為30%。
[0011]本發(fā)明還公開了一種以氟化石墨烯為高阻層的太陽能電池的制備方法，包括以蒸鍍有透明氧化薄膜層的玻璃為襯底，將制備得到的氟化石墨烯旋涂到該襯底上，烘干；然后依次生長窗口層、吸收層、背接觸層和作為背電極的金屬薄膜層形成太陽電池。
[0012]優(yōu)選的，所述透明氧化薄膜層為氧化銦錫。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點是:
I)本發(fā)明所提出的太陽能電池的制備方法，成本低廉，操作方便。而且生產(chǎn)的氟化石墨烯薄膜純度高，質(zhì)量好。
[0014]2)氟化石墨烯具有比傳統(tǒng)高阻層具有更薄的物理厚度所以有更好的光傳輸率，提高了太陽能電池的光轉換效率。
[0015]3)氟化石墨烯能作為鈍化層，抑制金屬薄膜表面被氧化和阻擋不同薄膜之間原子的擴散，減少了熱退火過程中玻璃中的鈉離子進入PN結耗盡層以及窗口層擴散進入透明導電薄膜層，保證了器件的可靠性。
[0016]4)氟化石墨烯具有比傳統(tǒng)高阻層具有更薄的物理厚度，所以促進了電子的隧穿效應，從而使電子更容易擴散到透明導電薄膜電極端，使得電子空穴對有效的分離，提高了太陽能電池的光轉換效率。
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述:
圖1為碲化鎘薄膜太陽能電池的結構示意圖。
[0018]
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
[0020]實施例1
如圖1所示，一種以氟化石墨烯薄膜作為高阻層的碲化鎘薄膜太陽能電池，太陽能電池最下層為金屬薄膜層10，在金屬薄膜層10上設置有背接觸層20，在背接觸層20上設置吸收層30，該吸收層30材料可以為碲化鎘，在吸收層30上設置窗口層40，該窗口層40的材料可以為硫化錦，在窗口層40上為氟化石墨稀高阻層50，最上層為透明導電薄膜層60。
[0021]氟化石墨稀高阻層50的厚度為0.34_20nm。
[0022]一種碲化鎘薄膜太陽能電池的制備方法，以蒸鍍有透明氧化薄膜層(例如可以為氧化銦錫)的玻璃為襯底，將制備得到的氟化石墨烯旋涂到該襯底上，烘干；然后依次生長硫化鎘、碲化鎘和背接觸金屬形成碲化鎘薄膜太陽電池。該方法成本低廉，操作方便，得到的太陽能電池質(zhì)量好。
[0023]在碲化鎘薄膜太陽能電池中，氟化石墨烯薄膜可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)高阻層，例如本征氧化鋅(1-ZnO)。與氧化鋅層相比，較薄的氟化石墨烯薄膜不僅可以避免硫化鎘薄膜的針孔效應導致的漏電流和氧化鋅粗糙的表面對太陽能電池效率的影響，而且降低了物理厚度，促進了電子隧穿效應，更有益于電子的轉移和收集。
[0024]上述的氟化石墨烯薄膜可以通過以下方法制備得到，該制備方法包括以下步驟: 步驟一氧化石墨烯薄膜的制備:
在冰水浴中將3g石墨粉、1.5g硝酸鈉和69mL濃硫酸混合均勻，在20 tlC的溫度環(huán)境中，將9g的高錳酸鉀等分后依次緩慢加入混合液中，攪拌。
[0025]然后加溫至35°C，持續(xù)攪拌7h。之后，將另外9g的高錳酸鉀一次性加入混合液中，保持溫度，反應時間為12h。
[0026]再將400mL的冰水加入上述液體中，使其冷卻至室溫。
[0027]然后向加入3mL濃度為30%的過氧化氫溶液，待反應結束，將溶液離心，取出沉淀，用各200mL的去離子水、濃度為30%鹽酸和無水乙醇的混合溶液進行過濾，最后干燥，研磨，得到氧化石墨烯粉。
[0028]步驟二氟化石墨烯的制備:
將10mg的氧化石墨稀加入10mL去離子水中，經(jīng)過超聲處理30min得到氧化石墨稀分散液。
[0029]將上述分散液加入帶有聚四氟乙烯的內(nèi)襯的水熱釜內(nèi)，同時加入一定量的氫氟酸，將水熱釜密封，并置于烘箱內(nèi)，在一定的時間內(nèi)保持溫度。
[0030]待反應完成，冷卻至室溫。最后過濾，洗滌，烘干，得到氟化石墨烯。
[0031]應當理解的是，本發(fā)明的上述【具體實施方式】僅僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的原理，而不構成對本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所附權利要求旨在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修改例。
【主權項】
1.一種氟化石墨烯作為高阻層的太陽能電池，其特征在于，所述太陽能電池包括從下到上依次為作為背電極的金屬薄膜層、背接觸層、吸收層、窗口層、氟化石墨烯高阻層和透明導電薄膜層。2.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述氟化石墨烯高阻層的厚度為0.34_20nm。3.根據(jù)權利要求1所述的太陽能電池，其特征在于，所述氟化石墨烯薄膜由以下步驟制備得到: (1)在冰水浴中將石墨粉、硝酸鈉和濃硫酸混合均勻，然后加入高錳酸鉀，攪拌； (2)將(I)中的混合液加溫至35-50°C，持續(xù)攪拌5-8h，然后加入高錳酸鉀，保持溫度，反應8-14h ； (3)將上述液體冷卻至室溫，然后加入過氧化氫溶液反應； (4)待反應結束，將溶液離心，取出沉淀，用去離子水、鹽酸和無水乙醇的混合溶液進行過濾，最后干燥，研磨，得到氧化石墨烯粉； (5)在得到的氧化石墨烯粉中加入去離子水，經(jīng)過超聲處理得到氧化石墨烯分散液； (6)將上述分散液加入帶有聚四氟乙烯的內(nèi)襯的水熱釜內(nèi)，同時加入氫氟酸，將水熱釜密封，并置于烘箱內(nèi)，待反應完成，冷卻至室溫； (7)最后過濾、洗滌、烘干，得到氟化石墨稀薄膜。4.根據(jù)權利要求3所述的太陽能電池，其特征在于，所述步驟(I)中的高錳酸鉀與步驟(2)中的高錳酸鉀的重量相等，其中步驟(I)的高錳酸鉀等分后依次緩慢加入混合液中，步驟(2)的高錳酸鉀一次性加入混合液中。5.根據(jù)權利要求3所述的太陽能電池，其特征在于，所述鹽酸和過氧化氫溶液的濃度都為30%ο6.—種氟化石墨烯作為高阻層的太陽能電池的制備方法，其特征在于，包括以蒸鍍有透明氧化薄膜層的玻璃為襯底，將制備得到的氟化石墨烯旋涂到該襯底上，烘干；然后依次生長窗口層、吸收層、背接觸層和作為背電極的背接觸金屬，形成太陽電池。7.根據(jù)權利要求6所述的太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述透明氧化薄膜層為氧化銦錫。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氟化石墨烯薄膜作為高阻層的太陽能電池。在太陽能電池中，電池的結構從下到上依次為作為背電極的金屬薄膜層、背接觸層、吸收層、窗口層、氟化石墨烯高阻層和透明導電薄膜層。0.34~20nm厚的氟化石墨烯薄膜代替本征氧化物作為新型高阻層，可以減少不同薄膜之間原子的擴散，提高界面性質(zhì)，可以避免因窗口層薄膜的針孔效應引起的電池短路，進一步提高電池的效率。相比于傳統(tǒng)高阻層，厚度較薄的氟化石墨烯薄膜更有益于電子的隧穿效應，以及電子的轉移和收集。
【IPC分類】H01L31/073, H01L31/0216
【公開號】CN104992987
【申請?zhí)枴緾N201510339381
【發(fā)明人】吳京錦, 趙策洲, 趙胤超
【申請人】西交利物浦大學
【公開日】2015年10月21日
【申請日】2015年6月18日