一种掺杂型光伏薄膜材料的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种掺杂型光伏薄膜材料，在n型Si基片上依次设置有碳掺杂二氧化硅层和无缺陷掺杂型石墨烯层，形成具有光伏和光电导效应的掺杂型光伏薄膜材料。本发明制备的光伏薄膜材料具有良好的半导体性质，成本低，能够持续大规模生产，用于太阳能电池等众多领域。
【专利说明】
一种掺杂型光伏薄膜材料
技术领域
[0001]本发明属于薄膜太阳能电池技术领域，具体涉及一种掺杂型光伏薄膜材料。
【背景技术】
[0002]世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气与煤炭的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪迅速地接近枯竭。因此开发和利用新的能源迫在眉睫。
[0003]太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。1883年第一块太阳能电池由Charles.Fritts制备成功。Charles用锗半导体上覆上一层极薄的金层形成半导体金属结，器件只有1%的效率。1946年Russell.0hl申请了现代太阳能电池的制造专利。到了 1950年代，随着半导体物性的逐渐了解，以及加工技术的进步，1954年当美国的贝尔实验室在用半导体做实验发现在硅中掺入一定量的杂质后对光更加敏感这一现象后，第一个太阳能电池1954年在贝尔实验室诞生。太阳能电池技术的时代终于到来。
[0004]太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池等。
[0005]然而，该类材料仍然需要提高光电转化效率，降低制备材料的成本，例如CuInGaSe[CIGS]中的铟和镓在地球储备含量中非常稀少，如果进行大规模生产，势必会显著影响其生产结构、成本和价格以及整个产业链可持续发展的周期等。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种掺杂型光伏薄膜材料，本发明制备的光伏薄膜材料具有良好的半导体性质，成本低，能够持续大规模生产，用于太阳能电池等众多领域。
[0007]—种掺杂型光伏薄膜材料，在η型Si基片上依次设置有碳掺杂二氧化硅层和无缺陷掺杂型石墨烯层，形成具有光伏和光电导效应的掺杂型光伏薄膜材料。
[0008]所述掺杂型光伏薄膜材料的制备方法，其步骤如下:
步骤1，配置二氧化硅电泳液:将纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液进行混合，超声分散得到电泳液；
步骤2，二氧化硅薄膜沉积:将电泳液沉积到η型Si基片上，得到二氧化硅薄膜层；
步骤3，碳掺杂二氧化硅层:在二氧化硅薄膜层表面进附涂活性炭薄涂层，高温烧结，得到二氧化硅与碳化硅的混合层；
步骤4，石墨烯镀膜:在碳掺杂二氧化硅层表面旋转涂抹石墨烯膜层；
步骤5，石墨烯掺杂:在气体保护下，石墨烯膜层与三氯化硼经升温高压反应，得到硼掺杂石墨烯；
步骤6，石墨烯缺陷修复:将步骤5中的材料放置在甲胺气体条件下，加压加热，反应后得到掺杂型光伏薄膜材料。
[0009]所述步骤I中的纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液的配比为纳米二氧化硅10-20份、分散剂3-5份和醇溶液50-75份。
[0010]所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺或聚乙烯蜡中的一种，所述纳米二氧化硅的粒径为50-200nm，所述醇溶液采用C2-C5低分子醇。
[0011]所述步骤I中的超声频率为5-12MHz，超声时间为20-30min。
[0012]所述步骤2中的沉积的电流强度为2-20mA，沉积时间为10-30s。
[0013]所述步骤3中的涂覆采用旋转涂覆法，高温烧结温度为200-400°C，烧结时间为3-8h ；所述活性炭涂膜液采用活性炭浓度为0.1-0.8mg/L的无水乙醇溶液，所述活性炭加载量是二氧化硅含量的1_3%。
[OOM]所述步骤4中的石墨稀膜层厚度为0.1-10μηι，所述石墨稀镀膜液采用氧化石墨稀溶液提拉后氧化还原反应制得。
[0015]所述提拉速度为600mm/min，停留时间为5s，提拉次数为10-15次，氧化石墨烯溶液的浓度为l_1.9g/L。
[0016]所述氧化还原反应是在水浴中与石墨稀质量的0.01%的水合肼回流反应12-18h。
[0017]所述步骤5中的高温为400-600°(:，高压为1-3.2MPa，保护气为氮气或惰性气体。
[0018]所述步骤6中的压力为0.3-0.8MPa，温度为150-200 °C，反应时间为3_6h。
[0019]所述步骤6中的反应结束后采用蒸馏水进行清洗，然后50_70°C烘干。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
1、本发明制备的光伏薄膜材料具有良好的半导体性质，成本低，能够持续大规模生产，用于太阳能电池等众多领域。
[0021]2、本发明光电转化率可以达到大规模商用化的光电转化率标准。
[0022]3、本发明采用碳化硅与石墨烯相连接，大大提高了氧化硅层与石墨烯之间连接紧密性，增加粘附度。
[0023]4、本发明采用硼掺杂的无缺陷石墨烯膜层，不仅增加了石墨烯的传导稳定性，也降低片层间的团聚，大大提高了表面储能性能。
【具体实施方式】
[0024]下面结合实施例对本发明做进一步描述:
实施例1
一种掺杂型光伏薄膜材料，在η型Si基片上依次设置有碳掺杂二氧化硅层和无缺陷掺杂型石墨烯层，形成具有光伏和光电导效应的掺杂型光伏薄膜材料。
[0025]所述掺杂型光伏薄膜材料的制备方法，其步骤如下:
步骤1，配置二氧化硅电泳液:将纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液进行混合，超声分散得到电泳液；
步骤2，二氧化硅薄膜沉积:将电泳液沉积到η型Si基片上，得到二氧化硅薄膜层；
步骤3，碳掺杂二氧化硅层:在二氧化硅薄膜层表面进附涂活性炭薄涂层，高温烧结，得到二氧化硅与碳化硅的混合层；
步骤4，石墨烯镀膜:在碳掺杂二氧化硅层表面旋转涂抹石墨烯膜层； 步骤5，石墨烯掺杂:在气体保护下，石墨烯膜层与三氯化硼经升温高压反应，得到硼掺杂石墨烯；
步骤6，石墨烯缺陷修复:将步骤5中的材料放置在甲胺气体条件下，加压加热，反应后得到掺杂型光伏薄膜材料。
[0026]所述步骤I中的纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液的配比为纳米二氧化硅10份、分散剂3份和醇溶液50份。
[0027]所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮，所述纳米二氧化硅的粒径为50nm，所述醇溶液米用乙醇。
[0028]所述步骤I中的超声频率为5MHz，超声时间为20min。
[0029 ] 所述步骤2中的沉积的电流强度为2mA，沉积时间为I Os。
[0030]所述步骤3中的涂覆采用旋转涂覆法，高温烧结温度为2000C，烧结时间为3_8h;所述活性炭涂膜液采用活性炭浓度为0.lmg/L的无水乙醇溶液，所述活性炭加载量是二氧化娃含量的1%。
[0031]所述步骤4中的石墨稀膜层厚度为0.Ιμπι，所述石墨稀镀膜液采用氧化石墨稀溶液提拉后氧化还原反应制得。
[0032]所述提拉速度为600mm/min，停留时间为5s，提拉次数为10次，氧化石墨烯溶液的浓度为lg/L。
[0033 ]所述氧化还原反应是在水浴中与石墨稀质量的0.01%的水合肼回流反应12h。
[0034]所述步骤5中的高温为400°C，高压为IMPa，保护气为氮气。
[0035]所述步骤6中的压力为0.3MPa，温度为150 °C，反应时间为3h。
[0036]所述步骤6中的反应结束后采用蒸馏水进行清洗，然后50°C烘干。
[0037]实施例2
一种掺杂型光伏薄膜材料，在η型Si基片上依次设置有碳掺杂二氧化硅层和无缺陷掺杂型石墨烯层，形成具有光伏和光电导效应的掺杂型光伏薄膜材料。
[0038]所述掺杂型光伏薄膜材料的制备方法，其步骤如下:
步骤1，配置二氧化硅电泳液:将纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液进行混合，超声分散得到电泳液；
步骤2，二氧化硅薄膜沉积:将电泳液沉积到η型Si基片上，得到二氧化硅薄膜层；
步骤3，碳掺杂二氧化硅层:在二氧化硅薄膜层表面进附涂活性炭薄涂层，高温烧结，得到二氧化硅与碳化硅的混合层；
步骤4，石墨烯镀膜:在碳掺杂二氧化硅层表面旋转涂抹石墨烯膜层；
步骤5，石墨烯掺杂:在气体保护下，石墨烯膜层与三氯化硼经升温高压反应，得到硼掺杂石墨烯；
步骤6，石墨烯缺陷修复:将步骤5中的材料放置在甲胺气体条件下，加压加热，反应后得到掺杂型光伏薄膜材料。
[0039]所述步骤I中的纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液的配比为纳米二氧化硅20份、分散剂5份和醇溶液75份。
[0040]所述分散剂采用聚丙烯酰胺，所述纳米二氧化硅的粒径为200nm，所述醇溶液采用异丙醇。[0041 ] 所述步骤I中的超声频率为12MHz，超声时间为30min。
[0042 ] 所述步骤2中的沉积的电流强度为20mA，沉积时间为30s。
[0043]所述步骤3中的涂覆采用旋转涂覆法，高温烧结温度为4000C，烧结时间为3_8h;所述活性炭涂膜液采用活性炭浓度为0.8mg/L的无水乙醇溶液，所述活性炭加载量是二氧化硅含量的3%。
[0044]所述步骤4中的石墨稀膜层厚度为ΙΟμπι，所述石墨稀镀膜液采用氧化石墨稀溶液提拉后氧化还原反应制得。
[0045]所述提拉速度为600mm/min，停留时间为5s，提拉次数为15次，氧化石墨烯溶液的浓度为1.9g/L。
[0046]所述氧化还原反应是在水浴中与石墨稀质量的0.01%的水合肼回流反应18h。
[0047]所述步骤5中的高温为600°C，高压为3.2MPa，保护气为氖气。
[0048]所述步骤6中的压力为0.8MPa，温度为200°C，反应时间为6h。
[0049]所述步骤6中的反应结束后采用蒸馏水进行清洗，然后70°C烘干。
[0050]实施例3
一种掺杂型光伏薄膜材料，在η型Si基片上依次设置有碳掺杂二氧化硅层和无缺陷掺杂型石墨烯层，形成具有光伏和光电导效应的掺杂型光伏薄膜材料。
[0051 ]所述掺杂型光伏薄膜材料的制备方法，其步骤如下:
步骤1，配置二氧化硅电泳液:将纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液进行混合，超声分散得到电泳液；
步骤2，二氧化硅薄膜沉积:将电泳液沉积到η型Si基片上，得到二氧化硅薄膜层；
步骤3，碳掺杂二氧化硅层:在二氧化硅薄膜层表面进附涂活性炭薄涂层，高温烧结，得到二氧化硅与碳化硅的混合层；
步骤4，石墨烯镀膜:在碳掺杂二氧化硅层表面旋转涂抹石墨烯膜层；
步骤5，石墨烯掺杂:在气体保护下，石墨烯膜层与三氯化硼经升温高压反应，得到硼掺杂石墨烯；
步骤6，石墨烯缺陷修复:将步骤5中的材料放置在甲胺气体条件下，加压加热，反应后得到掺杂型光伏薄膜材料。
[0052]所述步骤I中的纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液的配比为纳米二氧化硅16份、分散剂4份和醇溶液60份。
[0053]所述分散剂采用聚乙烯蜡，所述纳米二氧化硅的粒径为lOOnm，所述醇溶液采用正戊醇。
[0054]所述步骤I中的超声频率为1MHz，超声时间为25min。
[0055]所述步骤2中的沉积的电流强度为13mA，沉积时间为18s。
[0056]所述步骤3中的涂覆采用旋转涂覆法，高温烧结温度为350°C，烧结时间为6h;所述活性炭涂膜液采用活性炭浓度为0.6mg/L的无水乙醇溶液，所述活性炭加载量是二氧化娃含量的1.1%。
[0057 ]所述步骤4中的石墨稀膜层厚度为5μηι，所述石墨稀镀膜液采用氧化石墨稀溶液提拉后氧化还原反应制得。
[0058]所述提拉速度为600mm/min，停留时间为5s，提拉次数为12次，氧化石墨烯溶液的浓度为1.7g/L。
[0059 ]所述氧化还原反应是在水浴中与石墨稀质量的0.01%的水合肼回流反应17h。
[0060]所述步骤5中的高温为480°C，高压为2.4 MPa，保护气为氮气或惰性气体。
[0061 ] 所述步骤6中的压力为0.6MPa，温度为180 °C，反应时间为4h。
[0062]所述步骤6中的反应结束后采用蒸馏水进行清洗，然后55°C烘干。
[0063]本实施例1-3所制备的光伏薄膜材料，只需加上较小的测试反偏压即有非常灵敏的光电导效应，黑暗条件下和100mW/cm2(AM 1.5)的模拟太阳光照条件下探测到暗电阻和光电阻之比达400倍以上。从制备工艺角度讲，薄膜制备的整个过程安全方便，且符合环保要求。
[0064]以上所述仅为本发明的实施例，并不限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，在η型Si基片上依次设置有碳掺杂二氧化硅层和无缺陷掺杂型石墨烯层，形成具有光伏和光电导效应的掺杂型光伏薄膜材料。2.根据权利要求书I所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述掺杂型光伏薄膜材料的制备方法，其步骤如下: 步骤I，配置二氧化硅电泳液:将纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液进行混合，超声分散得到电泳液； 步骤2，二氧化硅薄膜沉积:将电泳液沉积到η型Si基片上，得到二氧化硅薄膜层； 步骤3，碳掺杂二氧化硅层:在二氧化硅薄膜层表面进附涂活性炭薄涂层，高温烧结，得到二氧化硅与碳化硅的混合层； 步骤4，石墨烯镀膜:在碳掺杂二氧化硅层表面旋转涂抹石墨烯膜层； 步骤5，石墨烯掺杂:在气体保护下，石墨烯膜层与三氯化硼经升温高压反应，得到硼掺杂石墨烯； 步骤6，石墨烯缺陷修复:将步骤5中的材料放置在甲胺气体条件下，加压加热，反应后得到掺杂型光伏薄膜材料。3.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤I中的纳米二氧化硅、分散剂和醇溶液的配比为纳米二氧化硅10-20份、分散剂3-5份和醇溶液50-75份;所述分散剂采用聚乙烯吡咯烷酮、聚丙烯酰胺或聚乙烯蜡中的一种，所述纳米二氧化硅的粒径为50-200nm，所述醇溶液采用C2-C5低分子醇。4.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤I中的超声频率为5-12MHz，超声时间为20-30min。5.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤2中的沉积的电流强度为2_20mA，沉积时间为10_30s。6.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤3中的涂覆采用旋转涂覆法，高温烧结温度为200-400°C，烧结时间为3-8h;所述活性炭涂膜液采用活性炭浓度为0.1-0.8mg/L的无水乙醇溶液，所述活性炭加载量是二氧化硅含量的1-3%。7.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤4中的石墨烯膜层厚度为0.1-10μπι，所述石墨烯镀膜液采用氧化石墨烯溶液提拉后氧化还原反应制得;所述提拉速度为600mm/min，停留时间为5s，提拉次数为10_15次，氧化石墨稀溶液的浓度为1-1.9g/L;所述氧化还原反应是在水浴中与石墨稀质量的0.01%的水合肼回流反应12-18h08.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤5中的高温为400-600°(:，高压为1-3.2 MPa，保护气为氮气或惰性气体。9.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤6中的压力为0.3-0.8MPa，温度为150-200 °C，反应时间为3_6h。10.根据权利要求书2所述的一种掺杂型光伏薄膜材料，其特征在于，所述步骤6中的反应结束后采用蒸馏水进行清洗，然后50-70 0C烘干。
【文档编号】H01L31/18GK106024935SQ201610651872
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年8月11日
【发明人】方泽波
【申请人】绍兴文理学院