CN109036851A - 一种石墨烯基薄膜太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨烯基薄膜太阳能电池，包括透明电极，透明电极为石墨烯薄膜，厚度不大于20nm，本发明用抽滤的方法制备薄膜，保证了薄膜的均匀性以及器件的稳定性；采用了水转移的方法，将石墨烯膜的厚度控制在纳米级别，提高了薄膜的透光率；转移过程中，引入了微观褶皱，增加了薄膜和光敏层的接触面积；高温处理后，石墨烯缺陷少，薄膜强度高，可以耐受柔性电极反复折叠过程中的应力变化。整个过程简单、绿色、极易操作。该薄膜作为光阳极、对电极等；相比而言，石墨烯具有更高的电子迁移率，而且没有重金属污染问题存在，降低了成本，提高光转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池，尤其涉及一种石墨烯基薄膜太阳能电池。
背景技术
随着环境问题的日益严重，化石能源的无节制应用带来的环境问题日益引起大人们的关注。人们迫切希望找到可再生，无污染的新能源来替代重污染的化石能源。而太阳能作为地球声明之源，一直是人们关注的对象。其中太阳能柔性电池是其中的应用之一，它是应用光敏物质的光生电子效应，将光转化成电。但是传统的太阳能柔性电池是应用ITO作为透明导电电极，其存在以下几方面的问题，其一，ITO具有重金属污染问题；其二，ITO导电性不好，电子迁移率低，不利于光电子的传输；第三，ITO柔性较差，不适用于做柔性电极。
为此，我们设计了高强度、高导电、高透明的石墨烯膜，用于克服ITO存在的以上各种问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种石墨烯基薄膜太阳能电池。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨烯基薄膜太阳能电池，包括透明电极，所述透明电极为石墨烯薄膜，厚度不大于20nm，通过以下方法制备得到：
(1)在AAO基底膜上抽滤得到氧化石墨烯膜；
(2)将表面贴合有石墨烯膜的AAO基底膜以氧化石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO基底膜，使得AAO基底膜下沉，氧化石墨烯膜漂浮于水面。
(3)用硅片将漂浮于水面的氧化石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面；
(4)室温下蒸发氧化石墨烯膜中的水分，使得氧化石墨烯膜水含量大于50wt％；将蒸发处理后的氧化石墨烯膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离。
(5)对氧化石墨烯膜在2000～3000℃进行还原，使得其电导率大于0.5MS/m。
进一步地，所述步骤2中，按压位置为AAO基底膜的边缘。
进一步地，所述步骤1中石墨烯的厚度为4nm。
进一步地，所述AAO基底膜的表面的孔隙率不小于40％。
本发明的有益效果在于：本发明用抽滤的方法制备薄膜，保证了薄膜的均匀性以及器件的稳定性；采用了水转移的方法，将石墨烯膜的厚度控制在纳米级别，提高了薄膜的透光率；转移过程中，引入了微观褶皱，增加了薄膜和光敏层的接触面积；高温处理后，石墨烯膜缺陷含量极低，电导率和电子迁移率高，有利于有机太阳能电池的光电子传输；高温处理后，石墨烯缺陷少，薄膜强度高，可以耐受柔性电极反复折叠过程中的应力变化。整个过程简单、绿色、极易操作。在保证透明的同时，保证了极大的导电率和力学承载性能，可承受电池在放电过程以及电池柔性弯折过程中的张力作用。使用时，该薄膜作为光阳极、对电极等；相比而言，石墨烯具有更高的电子迁移率，而且没有重金属污染问题存在，降低了成本，提高光转化效率。
附图说明
图1为AAO基底膜剥离石墨烯膜的流程示意图。
图2为实施例1AAO基底膜剥离石墨烯膜的实验过程图。
图3为实施例1制得的石墨烯膜的原子力显微镜图。
图4为实施例1制备得到的石墨烯膜的扫描图。
图5为实施例2制得的石墨烯膜的原子力显微镜图。
图6为对比例1MCE基底膜剥离石墨烯膜的实验过程图。
图7为石墨烯基染料敏化透明太阳能电池结构示意图，其中，石墨烯膜作为光阳极。
图8为石墨烯基染料敏化透明太阳能电池结构示意图，其中，石墨烯膜作为正电极。
图中，石英玻璃1、石墨烯膜2、正极3、ITO4。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，通过控制石墨烯溶液的浓度，通过抽滤方法在AAO基底膜抽滤得到超薄的氧化石墨烯膜；将表面贴合有氧化石墨烯膜的AAO基底膜(孔隙率为40％)，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，如图1a和2a；按压AAO基底膜，如图2b，AAO基底膜开始下沉，如图2c，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨烯膜(虚线圈内)漂浮于水面，如图1b和2d。
用硅片将漂浮于水面的石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面，室温下蒸发氧化石墨烯膜中的水分30分钟，测得氧化石墨烯膜水含量为54wt％；将蒸发处理后的氧化石墨烯膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离；如图4所示，表面具有大量褶皱；通过原子力显微镜测试其厚度为4nm，如图3所示。
对氧化石墨烯膜利用2000℃热还原，还原1h后测得其电导率为0.5MS/m，石墨烯膜强度为10GPa。
如图7所示，将上述石墨烯膜作为光阳极装配有机薄膜太阳能电池①，相比于采用ITO作为光阳极组装的染料敏化透明太阳能电池②，其光电转换效率提高91％，相比于用常规石墨烯膜(在ITO上旋涂)作为光阳极组装的染料敏化透明太阳能电池③，其光电转换效率提高37％。而用常规石墨烯膜(在ITO上旋涂)作为光阳极时，使用2400h后，石墨烯膜可能由于微观结构受到破坏，其导电率下降至48％，太阳能电池③的光电转换效率下降至44％；而本申请的石墨烯膜在使用3600h后，导电率保持在原来的95％以上，太阳能电池①的光电转换效率保持在原来的97％以上。
实施例2：
通过控制石墨烯溶液的浓度，通过抽滤方法在AAO基底膜抽滤得到超薄的还原氧化石墨烯膜；将表面贴合有氧化石墨烯膜的AAO基底膜(孔隙率为60％)，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，按压AAO基底膜边缘，AAO基底膜开始下沉，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨烯膜漂浮于水面，石墨烯膜成功剥离。
用硅片将漂浮于水面的石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面，室温下蒸发氧化石墨烯膜中的水分30分钟，测得氧化石墨烯膜水含量为67wt％；将蒸发处理后的氧化石墨烯膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离，得到表面褶皱的石墨烯膜，通过原子力显微镜测试其厚度为14nm，如图5所示。
对氧化石墨烯膜利用2000℃热还原，还原1h后测得其电导率为0.6MS/m，石墨烯膜强度为7GPa。
将上述石墨烯膜作为光阳极装配染料敏化薄膜太阳能电池①，相比于采用ITO作为光阳极组装的染料敏化透明太阳能电池②，其光电转换效率提高87％，相比于用常规石墨烯膜(在ITO上旋涂)作为光阳极组装的染料敏化透明太阳能电池③，其光电转换效率提高29％。在使用3600h后，导电率为原来的95％，太阳能电池①的光电转换效率为原来的96％。
实施例3：
通过控制石墨烯溶液的浓度，通过抽滤方法在AAO基底膜抽滤得到超薄的还原氧化石墨烯膜；将表面贴合有氧化石墨烯膜的AAO基底膜(孔隙率为60％)，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，按压AAO基底膜边缘，AAO基底膜开始下沉，最后，AAO基底膜沉于杯底，石墨烯膜漂浮于水面，石墨烯膜成功剥离。
用硅片将漂浮于水面的石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面，室温下蒸发氧化石墨烯膜中的水分30分钟，测得氧化石墨烯膜水含量为75wt％；将蒸发处理后的氧化石墨烯膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离，得到表面褶皱的石墨烯膜，通过原子力显微镜测试其厚度为20nm。
对氧化石墨烯膜利用3000℃热还原，还原0.2h后后测得其电导率0.8MS/m。石墨烯膜强度为9GPa。
如图8所示，将上述石墨烯膜作为正极，以ITO为光阳极装配有机薄膜太阳能电池①，相比于采用铂电极作为正极组装的染料敏化透明太阳能电池②，其光电转换效率提高66％，相比于用常规石墨烯膜(在ITO上旋涂)作为正极组装的染料敏化透明太阳能电池③，其光电转换效率提高13％。在使用3600h后，导电率为原来的96％，太阳能电池①的光电转换效率为原来的97％。
对比例1
按照如实施例2的抽滤方法，在MCE基底膜抽滤得到厚度为14nm的还原氧化石墨烯膜，然后将表面贴合有还原氧化石墨烯膜的MCE基底膜(孔隙率为60％)，以石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上，图6a所示，按压MCE基底膜边缘，MCE基底膜不下沉，图6b所示，石墨烯膜剥离失败。
需要说明的是，抽滤法是目前公认的最均匀制备石墨烯膜的方法，在一定的抽滤液量下，可以调控浓度来对石墨烯膜的厚度进行控制，厚度最低可以是一层石墨烯，随着石墨烯浓度的增加，在压力作用下，新增的石墨烯逐步填充到第一层石墨烯的间隙，使得第一层石墨烯逐步完全填充，进而发展成第二层，不断重复以上步骤，可以制备厚度跨越2层到上万层石墨烯的石墨烯纳米膜。因此，本领域技术人员可通过简单的实验参数调整即可获得厚度为4nm的石墨烯膜。
Claims (4)
1.一种石墨烯基薄膜太阳能电池，其特征在于，包括透明电极，所述透明电极为石墨烯薄膜，厚度不大于20nm，通过以下方法制备得到：
(1)在AAO基底膜上抽滤得到氧化石墨烯膜；
(2)将表面贴合有石墨烯膜的AAO基底膜以氧化石墨烯膜所在的面朝上，置于水面上；按压AAO基底膜，使得AAO基底膜下沉，氧化石墨烯膜漂浮于水面；
(3)用硅片将漂浮于水面的氧化石墨烯膜从下往上捞起，使得石墨烯膜平铺于基底表面；
(4)室温下蒸发氧化石墨烯膜中的水分，使得氧化石墨烯膜水含量大于50wt％；将蒸发处理后的氧化石墨烯膜进行冷冻干燥，氧化石墨烯膜从硅片表面脱离；
(5)对氧化石墨烯膜在2000～3000℃进行还原，使得其电导率大于0.5MS/m。
2.根据权利要求1所述的石墨烯基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述步骤2中，按压位置为AAO基底膜的边缘。
3.根据权利要求1所述的石墨烯基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述步骤1中石墨烯的厚度为4nm。
4.根据权利要求1所述的石墨烯基薄膜太阳能电池，其特征在于，所述AAO基底膜的表面的孔隙率不小于40％。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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