本发明属于太阳能电池的技术领域，特别涉及一种具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
石墨烯是一种由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，具有高电导率，高透光度，功函数可调等特点，广泛应用在太阳能电池上。石墨烯具有金属的性质，功函数大于GaAs，与GaAs接触可以形成肖特基接触，利用肖特基结可以制备太阳能电池。石墨烯-GaAs肖特基结太阳电池，相比主流的硅太阳能电池具有工艺简单、成本低廉等优点，具有很好的应用前景。但是，如果将石墨烯与GaAs直接接触，由于GaAs上产生的电子和空穴都很容易通过石墨烯，会在石墨烯上发生电子和空穴的复合，使光生电流减小，从而使太阳能电池的效率降低。正因为转换效率不高，该太阳能电池还未得到普遍利用。因此研究如何在保持太阳能电池简单工艺和低成本的同时有效提高太阳能电池的转换效率，具有十分重要的意义。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于制备一种具有高性能空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池，不仅工艺简单、成本低，转换效率也明显提高。
本发明的另一目的在于提供上述具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池，由下至上依次包括背电极、GaAs片、空穴传输层、石墨烯层、正电极。
所述背电极为常规的电极材料，优选为金电极、银电极或铝电极；厚度为50～350nm。
所述空穴传输层为氧化钼层、氧化镍层或氧化钼层与氧化镍层叠加而成的膜层；其厚度为2～12nm。
所述正电极为常规的电极材料，优选为导电银胶或银丝；厚度为200～5000nm。
所述GaAs片为GaAs外延片，优选为N型GaAs片。
所述石墨烯层的层数为5～10层。
所述具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池，还包括钝化膜层，所述钝化膜层设置于GaAs片与空穴传输层之间；所述钝化膜层是钝化剂在GaAs片表面钝化所形成的膜层；所述表面为未镀有背电极的表面；
所述具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(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片的上表面镀上一层空穴传输层；或者在镀空穴传输层之前，将镀有背电极的GaAs片置于钝化剂中进行钝化处理，GaAs片未镀有背电极的表面形成钝化膜；
所述空穴传输层为氧化钼膜层、氧化镍膜层或氧化钼膜层与氧化镍膜层叠加组合所形成的膜层；钝化处理的时间为2～50min；所述钝化剂为硫代乙酰胺溶液，硫代乙酰胺溶液的浓度为5～50mM(mmol/L)；
(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。
步骤(1)中所述硫代乙酰胺溶液为硫代乙酰胺的乙醇溶液；
步骤(1)中在GaAs片的一面镀上背电极，具体步骤为：
(S1)镀背电极：将GaAs晶圆上蒸镀一层金属，作为背电极；所述金属为常规的电极材料，优选为金；背电极的厚度为50～350nm；
(S2)切割：将镀有背电极的GaAs晶圆切割成方片，然后去除方片表面的杂质，获得一面镀有背电极的GaAs片。
所述去除方片表面的杂质是指将切割好的GaAs片依次采用丙酮、乙醇中超声清洗，然后用超纯水清洗，再采用盐酸溶液中处理。
在镀空穴传输层之前，GaAs片需用超纯水清洗，并吹干。
步骤(2)中石墨烯层需进行加热处理和除杂预处理，所述加热处理和除杂预处理是指将含有石墨烯层的GaAs片，于75～225℃烘烤，依次在热丙酮、常温丙酮下浸泡，吹干；所述热丙酮的温度为于20～80℃，浸泡的时间为5～50min，常温丙酮下浸泡的次数1～3次。所述烘烤优选指在不同温度下保温烘烤5～30min，所述不同的温度取自75～225℃，梯度为50～75℃，不同温度的个数≥3；优选为75、150、225℃。
步骤(3)中所述正电极为常规的电极材料，优选为银；所述正电极具体是将导电银胶涂在石墨烯上，烘干。所述烘干的条件于40～120℃干燥4～20min。所述正电极为正方形、圆形、环形或其他形状，优选为正方形。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过在石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池中加入空穴传输层，利用空穴传输层具有阻挡电子传导空穴的作用，将电子和空穴分离开，从而减少电子和空穴的复合，增大光生电流，最终实现太阳能电池高的光电转换效率；
(2)本发明的制备方法简单有效，器件制备工艺成本低，电池光电转换效率明显提高。
附图说明
图1为实施例1的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池结构示意图；
图2为实施例1的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池电流-电压关系曲线图；其中空白对照为无空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池，2nm空穴传输层为实施例1具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池结构示意图如图1所示，由下至上依次包括背电极(金电极)1、GaAs片2、空穴传输层3、石墨烯层4和正电极(导电银胶)5。
本实施例的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将一个2英寸GaAs晶圆贴在圆盘上，要围绕圆片的四周都贴上一圈胶带，一是固定GaAs片在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘；然后放进电子束蒸发系统，镀上一层金电极，金电极的厚度为100nm，金电极镀完后直接去除胶带；
(2)切割：将镀好金电极的GaAs圆片用金刚刀进行切割，切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗GaAs片：将GaAs片置于丙酮中超声波清洗5min；再置于乙醇中超声波清洗5min；随后用超纯水冲洗5遍后，放进稀盐酸里处理3min，最后是用超纯水冲洗GaAs表面5遍后，吹干；
(4)镀空穴传输层：将清洗吹干后的GaAs片贴在圆盘上，镀有金电极的一面与圆盘接触，用胶带围绕四周贴一圈，防止镀料镀到边缘上去，然后放进电子束蒸发系统，抽真空，在GaAs表面镀一层2nm厚的氧化钼空穴传输层，蒸镀过程中电子束电压为10kV，蒸镀时间为2分钟；
(5)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的GaAs片，将石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住GaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层上，自然晾干半小时；石墨烯的层数为6-8层；
(6)后处理：晾半小时后的GaAs片，放在加热板上，在75℃的温度烘烤15min，去掉里面的水分，使石墨烯更紧密的与GaAs片贴合；然后在40℃丙酮下处理10min，去掉一些有机物；转移到常温丙酮下浸泡20min后，再换一次丙酮浸泡10min；
(7)正电极的制备：把用丙酮处理后的GaAs片用微风吹干，围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶的厚度为500nm，导电银胶的形状与石墨烯窗口层的形状一致，都为长方形或者正方形，注意导电银胶不能碰到GaAs，只能在石墨烯上面(贴胶带的作用就是防止导电银胶流到GaAs表面)；最后，75℃下烘烤导电银胶约10min，烘干导电银胶。
图2为实施例1的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池电流-电压关系曲线图；其中空白对照为无空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池，2nm空穴传输层为实施例1具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池。
空白对照组的填充因子为60％，转换效率为7.73％；通过在石墨烯和GaAs之间加入一层空穴出传输层，太阳能电池的填充因子提高到72％，转换效率提高到9.83％，太阳能电池的性能显著改善。
本发明在石墨烯-GaAs太阳能电池的GaAs与石墨烯之间引入一层空穴传输层，一方面空穴传输层可以传到空穴，阻止电子，减少电子和空穴的复合，减少光生电流的损失，提高太阳能电池的效率。另一方面，空穴传输层的引入，可以提高肖特基势垒，从而提高开路电压，增大太阳能电池的填充因子。因此，本发明制备的具备空穴传输层的太阳能电池，光电转换效率和填充因子都得到明显提高。
实施例2
本实施例的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将一个2英寸GaAs晶圆贴在圆盘上，要围绕圆片的四周都贴上一圈胶带，一是固定GaAs片在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘；然后放进电子束蒸发系统，镀上一层金电极，金电极的厚度为60～300nm，金电极镀完后直接去除胶带；
(2)切割：将镀好金电极的GaAs圆片用金刚刀进行切割，切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗GaAs片：将GaAs片置于丙酮中超声波清洗5min；再置于乙醇中超声波清洗5min；随后用超纯水冲洗5遍后，放进稀盐酸里处理3min；再置于硫代乙酰胺溶液处理5min，钝化GaAs表面，在未镀有背电极的GaAs表面形成钝化膜，最后用超纯水冲洗GaAs表面5遍后，吹干；
(4)镀空穴传输层：将清洗吹干后的GaAs片贴在圆盘上，镀有金电极的一面与圆盘接触，用胶带围绕四周贴一圈，防止镀料镀到边缘上去，然后放进电子束蒸发系统，抽真空，在GaAs表面(钝化膜的表面)镀一层5nm厚的氧化镍空穴传输层；
(5)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的GaAs片，将石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住GaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层上，自然晾干半小时；石墨烯的层数为9-10层；
(6)后处理：晾半小时后的GaAs片，放在加热板上，在150℃的温度烘烤15min，去掉里面的水分，使石墨烯更紧密的与GaAs片贴合；然后在40℃丙酮下处理10min，去掉一些有机物；转移到常温丙酮下浸泡20min后，再换一次丙酮浸泡10min；
(7)正电极的制备：把用丙酮处理后的GaAs片用微风吹干，围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶的厚度为800nm，导电银胶的形状与石墨烯窗口层的形状一致，都为长方形或者正方形，注意导电银胶不能碰到GaAs，只能在石墨烯上面(贴胶带的作用就是防止导电银胶流到GaAs表面)；最后，75℃下烘烤导电银胶约10min，烘干导电银胶。
实施例3
本实施例的具备空穴传输层的石墨烯-GaAs肖特基结太阳能电池的的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将一个2英寸GaAs晶圆贴在圆盘上，要围绕圆片的四周都贴上一圈胶带，一是固定GaAs片在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘；然后放进电子束蒸发系统，镀上一层金电极，金电极的厚度为100nm，金电极镀完后直接去除胶带；
(2)切割：将镀好金电极的GaAs圆片用金刚刀进行切割，切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗GaAs片：将GaAs片置于丙酮中超声波清洗5min；再置于乙醇中超声波清洗5min；随后用超纯水冲洗5遍后，放进稀盐酸(浓盐酸：水体积比＝1:3)里处理3min；再置于硫代乙酰胺溶液处理10min，钝化GaAs表面，在未镀有背电极的GaAs表面形成钝化膜，最后用超纯水冲洗GaAs表面5遍后，吹干；
(4)镀空穴传输层：将清洗吹干后的GaAs片贴在圆盘上，镀有金电极的一面与圆盘接触，用胶带围绕四周贴一圈，防止镀料镀到边缘上去，然后放进电子束蒸发系统，抽真空，在GaAs表面镀一层12nm厚的氧化钼空穴传输层；
(5)转移石墨烯：取出已经镀好空穴传输层的GaAs片，将石墨烯进行转移，石墨烯漂浮在清水中，用镊子夹住GaAs片的一角，小心翼翼的利用水分子的范德华力，使石墨烯贴合在空穴传输层上，自然晾干半小时；石墨烯的层数为5-6层；
(6)后处理：晾半小时后的GaAs片，放在加热板上，在75℃的温度烘烤15min，去掉里面的水分，使石墨烯更紧密的与GaAs片贴合；然后在40℃丙酮下处理10min，去掉一些有机物；转移到常温丙酮下浸泡20min后，再换一次丙酮浸泡10min；
(7)正电极的制备：把用丙酮处理后的GaAs片用微风吹干，围绕石墨烯边缘贴胶带，然后在石墨烯边缘用注射器做一圈导电银胶，导电银胶的厚度为200～1000nm，导电银胶的形状与石墨烯窗口层的形状一致，都为长方形(7×15平方毫米)，注意导电银胶不能碰到GaAs，只能在石墨烯上面(贴胶带的作用就是防止导电银胶流到GaAs表面)；最后，75℃下烘烤导电银胶约10min，烘干导电银胶。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。