CN109801986A - 太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池及其制备方法，所述太阳能电池包括：衬底；第一电极，所述第一电极设置在所述衬底上；光电转换层，所述光电转换层设置在所述第一电极远离所述衬底的一侧；第二电极，所述第二电极设置在光电转换层远离所述第一电极的一侧，所述第二电极包括：氧化铟锡层以及石墨烯层。由此，该太阳能电池通过采用包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
Description
技术领域
本发明属于电池领域，具体而言，本发明涉及太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能电池是一类通过光电转换效应，将太阳光转换为电能的能源供给装置。目前用于太阳能电池的材料以及太阳能电池的结构多种多样，其中，氧化铟锡因其具有优异的电学传导和光学透明特性而被用于太阳能电池的电极材料，然而氧化铟锡的高成本导致太阳能电池的价格居高不下，从而难以实现推广。
然而，目前的太阳能电池及其制备方法仍有待改进。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池通过采用包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种太阳能电池。根据本发明的实施例，所述太阳能电池包括：
衬底；
第一电极，所述第一电极设置在所述衬底上；
光电转换层，所述光电转换层设置在所述第一电极远离所述衬底的一侧；
第二电极，所述第二电极设置在光电转换层远离所述第一电极的一侧，所述第二电极包括：氧化铟锡层以及石墨烯层。
根据本发明实施例的太阳能电池通过采用包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
另外，根据本发明上述实施例的太阳能电池还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，所述石墨烯设置在所述光电转换层远离所述第一电极的一侧，所述氧化铟锡层设置在所述石墨烯层远离所述光电转换层一侧。由此，可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
在本发明的一些实施例中，所述石墨烯层的厚度不大于5nm。由此，可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
在本发明的一些实施例中，所述光电转换层为单晶硅层。由此，可以显著提高太阳能电池的光电转换效率。
在本发明的一些实施例中，所述光电转换层的厚度为30～40nm。由此，可以进一步提高太阳能电池的光电转换效率。
在本发明的再一个方面，本发明提出了一种制备上述太阳能电池的方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：
(1)提供衬底，在所述衬底上表面形成第一电极；
(2)在所述第一电极的上表面形成光电转换层；
(3)在所述光电转换层上表面形成第二电极，所述第二电极包括氧化铟锡层和石墨烯层。
根据本发明实施例的制备太阳能电池的方法通过在光电转换层上形成包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
另外，根据本发明上述实施例的制备太阳能电池的方法还可以具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，在所述第一电极的上表面形成光电转换层是通过蒸镀或旋涂进行的。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，在所述光电转换层上形成所述第二电极是采用下列步骤进行的：(3-1)将煤进行热解处理，以便得到半焦；(3-2)以所述半焦为碳源进行化学沉积，以便在光电转换层上表面形成石墨烯层；(3-3)以金属铟和锡为靶材，采用溅射的方法在所述石墨烯层上表面形成氧化铟锡层。由此，可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3-1)中，所述煤中固定碳含量高于85％。
在本发明的一些实施例中，在步骤(3-2)中，所述化学沉积是在还原性气氛下于900～1000摄氏度下进行的。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明一个实施例的太阳能电池的结构示意图；
图2是根据本发明再一个实施例的太阳能电池的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的制备太阳能电池的方法流程示意图；
图4是根据本发明再一个实施例的制备太阳能电池的方法流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种太阳能电池。根据本发明的实施例，参考图1，太阳能电池包括：衬底100、第一电极200、光电转换层300和第二电极400。
根据本发明的实施例，衬底100可以为透明玻璃或透明聚合物膜的至少之一。由此，可以为该太阳能电池提供良好的支持以及保护，并且玻璃以及透明聚合物膜能够使太阳光穿过衬底。具体的，透明聚合物膜可以由聚氯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯形成。
根据本发明的实施例，第一电极200设置在衬底100上，具体地，第一电极可以由透明金属氧化物形成，其中，金属氧化物可以为氟掺杂锡氧化物。发明人发现，采用氟掺杂锡氧化物形成第一电极可以显著优于其他材料保证所得太阳能电池具有良好的导电性能。
根据本发明的实施例，光电转换层300可以设置在第一电极200远离衬底100的一侧，从而在太阳光的照射下可以将太阳能转化为电能。具体的，光电转换层可以为单晶硅层，并且光电转换层的厚度可以为30～40nm，从而可以保证所得太阳能电池具有较高的光电转化效率。
根据本发明的实施例，参考图1和2，第二电极400可以设置在光电转换层300上远离第一电极200的一侧，其中，第二电极400可以包括氧化铟锡层41和石墨烯层42。发明人发现，通过采用包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
根据本发明的一个实施例，参考图2，石墨烯层42设置在光电转换层300上远离第一电极200的一侧，氧化铟锡层41设置在石墨烯层42上远离光电转换层300的一侧。发明人发现，石墨烯具有高的载流子迁移率和优异的力学性能，并且可以制成大面积透明导电薄膜，通过将其部分替代氧化铟锡，不仅可以显著降低太阳能电池的成本，而且可以提高其光电转换效率，从而提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
根据本发明的再一个实施例，石墨烯层42的厚度并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的一个具体实施例，石墨烯层42的厚度可以为不大于5nm。发明人发现，该厚度范围的石墨烯层可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
根据本发明实施例的太阳能电池通过采用包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
在本发明的再一个方面，本发明提出了制备上述太阳能电池的方法。根据本发明的实施例，参考图3，该方法包括：
S100：提供衬底，在衬底上表面形成第一电极
该步骤中，衬底可以为透明玻璃或透明聚合物膜的至少之一。由此，可以为该太阳能电池提供良好的支持以及保护，并且玻璃以及透明聚合物膜能够使太阳光穿过衬底。具体的，透明聚合物膜可以由聚氯乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯形成。并且第一电极可以由透明金属氧化物形成，其中，金属氧化物可以为氟掺杂锡氧化物。发明人发现，采用氟掺杂锡氧化物形成第一电极可以显著优于其他材料保证所得太阳能电池具有良好的导电性能。本领域技术人员可以根据实际需要选择在衬底上形成第一电极的具体方式，例如可以采用溅射的方式在衬底上形成第一电极。
S200：在第一电极的上表面形成光电转换层
该步骤中，可以通过蒸镀或旋涂的方式在第一电极的上表面形成光电转换层，从而在太阳光的照射下可以将太阳能转化为电能，具体的，光电转换层可以为单晶硅层，并且光电转换层的厚度可以为30～40nm，从而可以保证所得太阳能电池具有较高的光电转化效率。
S300：在光电转换层上表面形成第二电极
该步骤中，第二电极可以包括氧化铟锡层和石墨烯层。发明人发现，通过在光电转换层上表面形成包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
根据本发明的实施例，参考图4，在光电转换层上表面形成包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极是通过采用下列步骤进行的：
S310：将煤进行热解处理
该步骤中，在完全没有氧或缺氧条件下将煤进行热解处理，得到热解油气和半焦，其中，热解处理的温度可以为800～950摄氏度。具体的，经热解后煤中的挥发组分进入油气中，而剩余部分则留在半焦中，从而将煤作为前驱体来制备石墨烯，可以在显著降低石墨烯成本的同时实现煤的资源化利用。本领域技术人员可以根据实际需要对煤的具体类型进行选择，优选固定碳含量高于85％的煤，从而可以保证所得石墨烯具有较高的品质。
S320：以半焦为碳源进行化学沉积在光电转换层上表面形成石墨烯层
该步骤中，将铜基板置于反应器中，然后向反应器中通入还原保护性气体，并且对铜基板进行预热，从而可以保持反应器中处于还原性气氛，避免在后续过程中生成炭颗粒的氧化，然后将步骤S310中得到的半焦供给至反应器中进行化学沉积反应，然后通入氢气或惰性气体对铜基板降温冷却至室温，从而在铜基板上形成石墨烯，然后将得到的石墨烯层布置在光电转换层上。具体的，还原性保护气体可以为氢气，其气流可以为气流为50～70sccm，并且铜基板的预热温度可以为200～600摄氏度，优选450摄氏度。需要说明的是，反应器可以为现有技术中能够进行高温沉积的任何设备。并且，可以将半焦与金属氧化物型催化剂或沸石分子筛型催化剂混合供给至反应器中进行化学沉积反应，本领域技术人员可以根据实际需要对金属氧化物型催化剂或沸石分子筛型催化剂的具体类型进行选择，并且化学沉积的温度可以为900～1000摄氏度，氢气气流可以为20～30sccm，惰性气体(氩气)气流可以为80～100sccm。发明人发现，该条件下可以显著提高石墨烯产率，并且所得石墨烯表面平整。同时石墨烯层的厚度可以为不大于5nm。发明人发现，该厚度范围的石墨烯层可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
S330：以金属铟和锡为靶材，采用溅射的方法在石墨烯层上表面形成氧化铟锡层
该步骤中，本领域技术人员可以根据实际需要对溅射过程的具体操作条件进行选择。
根据本发明实施例的太阳能电池通过采用包括石墨烯层和氧化锡层的第二电极，即以石墨烯层替代部分的氧化锡层，从而可以在降低太阳能电池成本的同时提高该太阳能电池的使用寿命以及电池性能。
下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。
实施例
以聚对苯二甲酸乙二醇酯作为衬底材料，然后采用溅射的方法在衬底上形成含有氟掺杂锡氧化物的第一电极，接着通过蒸镀的方式在第一电极的上表面形成单晶硅层(厚度为35nm)，然后将固定碳含量为90wt％的煤在900摄氏度下进行热解处理，得到热解油气和半焦，将铜基板置于反应器中，然后向反应器中通入氢气(气流为60sccm)，并且对铜基板进行预热(温度为450摄氏度)，然后将上述得到的半焦供给至反应器中进行化学沉积反应(温度为950摄氏度)，然后通入氢气或惰性气体(氢气气流为25sccm，惰性气体为氩气，其气流为90sccm)对铜基板降温冷却至室温，从而在铜基板上形成石墨烯(厚度为4nm)，然后将得到的石墨烯层布置在光电转换层上，最后以金属铟和锡为靶材，采用溅射的方法在石墨烯层上表面形成氧化铟锡层，得到太阳能电池。
测试条件：光谱分布AM1.5G，光照强度1000/m2，AAA太阳光模拟器(北京卓立汉光公司ss150型)，I-V曲线用Keithly2400型数字源表进行测量，所有器件测试在大气环境中正常测量，该太阳能电池短路电流密度(Jsc)28.9mA/cm2，开路电压(Voc)0.93V光电转化效率(PCE)为13.7％。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种太阳能电池，其特征在于，包括：
衬底；
第一电极，所述第一电极设置在所述衬底上；
光电转换层，所述光电转换层设置在所述第一电极远离所述衬底的一侧；
第二电极，所述第二电极设置在光电转换层远离所述第一电极的一侧，所述第二电极包括：氧化铟锡层以及石墨烯层。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述石墨烯层设置在所述光电转换层远离所述第一电极的一侧，所述氧化铟锡层设置在所述石墨烯层远离所述光电转换层一侧。
3.根据权利要求2所述的太阳能电池，其特征在于，所述石墨烯层的厚度不大于5nm。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述光电转换层为单晶硅层。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述光电转换层的厚度为30～40nm。
6.一种制备权利要求1～5中任一项所述的太阳能电池的方法，其特征在于，包括：
(1)提供衬底，在所述衬底上表面形成第一电极；
(2)在所述第一电极的上表面形成光电转换层；
(3)在所述光电转换层上表面形成第二电极，所述第二电极包括氧化铟锡层和石墨烯层。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，在所述第一电极的上表面形成光电转换层是通过蒸镀或旋涂进行的。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，在所述光电转换层上形成所述第二电极是采用下列步骤进行的：
(3-1)将煤进行热解处理，以便得到半焦；
(3-2)以所述半焦为碳源进行化学沉积，以便在光电转换层上表面形成石墨烯层；
(3-3)以金属铟和锡为靶材，采用溅射的方法在所述石墨烯层上表面形成氧化铟锡层。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(3-1)中，所述煤中固定碳含量高于85％。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在步骤(3-2)中，所述化学沉积是在还原性气氛下于900～1000摄氏度下进行的。
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