CN112670365A - 一种GaAs/MXene异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GaAs/MXene异质结太阳电池及其制备方法。该电池的结构由下至上依次为的Au背电极、GaAs衬底、MXene层、顶电极。本发明还公开了以上GaAs/MXene异质结太阳电池制备方法。采用电子束蒸发法在GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极；在砷化镓表面制备MXene膜；在MXene膜表面蒸镀Ag、Cr、Ti、Ni、Au中的一种或几种复合电极。本发明的GaAs/MXene异质结太阳电池不仅制备工艺简单，器件制作成本低廉，还可以利用MXene功函数灵活可变的优势，调节电池的输出特性，满足不同场景需求，有利于扩大砷化镓太阳电池的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池的技术领域，特别涉及一种GaAs/MXene异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
太阳能是自然界中分布最为广泛，总量最大的清洁能源，而太阳能电池可以将太阳能直接转化为电能以供人类社会使用。因此大力开发太阳能电池技术对解决能源危机、实现可持续发展具有重要的意义。GaAs是一种禁带宽度为1.42eV的直接带隙半导体，具有载流子迁移率高，抗辐射性能强等优点，常被用作为高效太阳电池的衬底材料。为了简化传统p-n结砷化镓太阳电池制备工艺，降低砷化镓电池制作成本，人们通过简易的湿法转移工艺制备了砷化镓/石墨烯异质结太阳电池。然而在石墨烯的转移过程中，仍然涉及到铜生长衬底的刻蚀、石墨烯清洗、PMMA等支撑层的去除等步骤，这无疑加大了对材料的浪费以及工艺的复杂性。
发明内容
为了克服上述技术存在的缺点与不足之处，本发明的首要目的在于提供一种GaAs/MXene异质结太阳电池，MXene可直接通过喷涂、打印等方法直接在衬底表面成型，这有利于减少工艺的流程。此外，MXene可以通过简单的湿法刻蚀合成，其生产成本也远低于石墨烯。与此同时，MXene的功函数可根据组分和表面功能团来改变，GaAs/MXene异质结太阳电池的输出特性可灵活调节以适应不同场景需求。因此GaAs/MXene异质结太阳电池的开发与应用对于太阳电池的发展具有重要意义。
本发明的另一目的在于提供上述GaAs/MXene异质结太阳电池的制备方法。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种GaAs/MXene异质结太阳电池，由下至上依次为Au背电极、GaAs衬底、MXene膜和顶电极；所述MXene层中的MXene指的是二维金属碳化物或氮化物，其化学式为Mn+1CnTX或Mn+1NnTX，其中n为1-3，M代表过渡金属Sc、Ti、Zr、V、Nb、Hf、Ta或Mo；T代表表面官能团-F、-OH和＝O。
上述含有空穴传输层的GaAs太阳电池的制备方法，包括下列制备步骤：
(1)采用电子束蒸发法在GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极；
(2)在砷化镓表面制备MXene膜；
(3)在MXene膜表面蒸镀Ag、Cr、Ti、Ni、Au中的一种或几种复合电极。
进一步地，步骤(2)中所述MXene指的是二维金属碳化物或氮化物，其化学式为Mn+ 1CnTX或Mn+1NnTX，其中n为1-3，M代表过渡金属Sc、Ti、Zr、V、Nb、Hf、Ta或Mo；T代表表面官能团-F、-OH和＝O。
进一步地，步骤(2)中所述GaAs为p型或者n型掺杂。
进一步地，步骤(2)中所述MXene前驱体体浓度为0.01mol/L-1mol/L。
进一步地，步骤(2)中所述MXene制备工艺为旋涂、滴注成膜、喷墨打印或者自支撑膜辅助转移。
进一步地，步骤(2)中所述MXene转移完成后真空退火温度为30℃-300℃。
本发明的原理如下：
GaAs与MXene的功函数存在差异，当两者结合时因这种差异导致电子流动而形成内建电场。当GaAs衬底受光激发后产生了电子空穴对，在内建电场的作用下可实现光生载流子的分离并对外供电。
相比于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
相对目前的砷化镓/石墨烯异质结太阳电池而言，MXene制备过程不需要生长衬底，可通过简单的溶液剥离法制备，这减少了原料的浪费。且薄膜制备完成后不需要复杂的后续处理，大大减少了砷化镓异质结太阳电池的生产成本。此外MXene可通过改变组分来调节功函数，这有助于提高电池的开路电压以及转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例中GaAs/MXene异质结太阳电池的结构示意图。
图2为本发明实施例中GaAs/MXene异质结太阳电池J-V曲线。
图中各个部件如下：
Au背电极1、GaAs衬底2、MXene层3，顶电极4。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种GaAs/MXene异质结太阳电池，其结构示意图如图1所示。包括由下至上依次层叠的Au背电极1、GaAs衬底2、MXene层3，顶电极4。
所述一种GaAs/MXene异质结太阳电池通过如下方法制备：
(1)采用电子束蒸发法在n型掺杂GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极。
(2)在砷化镓表面通过旋涂方法制备Ti3C2TX膜,其中T代表表面官能团-F、-OH和＝O，MXene前驱体溶液浓度为0.5mol/L，后续真空退火温度为100℃。
(3)在Ti3C2TX膜表面蒸镀一层Au顶电极，得到GaAs/MXene异质结太阳电池。
图2是最终得到的GaAs/MXene异质结太阳电池性能曲线图。其中太阳电池开路电压为0.47V，电流密度为3.1mA/cm2，填充因子为48.3％，光电转换效率为0.7％。
实施例2
(1)采用电子束蒸发法在p型掺杂GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极。
(2)在砷化镓表面通过滴注成膜方法制备Ti2NTx膜，其中T代表表面官能团-F、-OH和＝O，MXene前驱体溶液浓度为1mol/L，后续真空退火温度为200℃。
(3)在Ti2NTx膜表面蒸镀一层Ag顶电极，得到GaAs/MXene异质结太阳电池。
实施例3
(1)采用电子束蒸发法在n型掺杂GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极。
(2)在砷化镓表面通过喷墨打印方法制备V2CTx膜，其中T代表表面官能团-F、-OH和＝O，MXene前驱体溶液浓度为0.05mol/L，后续真空退火温度为50℃。
(3)在V2CTx膜表面蒸镀一层Cr/Au顶电极，得到GaAs/MXene异质结太阳电池。
实施例4
(1)采用电子束蒸发法在p型掺杂GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极。
(2)在砷化镓表面通过自支撑膜辅助转移方法制备Sc2CTx膜，其中T代表表面官能团-F、-OH和＝O，MXen前驱体溶液浓度为0.5mol/L，后续真空退火温度为100℃。
(3)在Sc2CTx膜表面蒸镀一层Ni/Au顶电极，得到GaAs/MXene异质结太阳电池。
实施例5
(1)采用电子束蒸发法在n型掺杂GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极。
(2)在砷化镓表面通过喷墨打印方法制备Cr2CTx膜，其中T代表表面官能团-F、-OH和＝O，MXene前驱体溶液浓度为0.5mol/L，后续真空退火温度为120℃。
(3)在Cr2CTx膜表面蒸镀一层Ni/Au顶电极，得到GaAs/MXene异质结太阳电池。
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上述实施例的限制，其它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。
Claims (6)
1.一种GaAs/MXene异质结太阳电池，其特征在于：由下至上的结构依次为Au背电极、GaAs衬底、MXene层和顶电极；所述MXene层中的MXene指的是二维金属碳化物或氮化物，其化学式为Mn+1CnTX或Mn+1NnTX，其中n为1-3，M代表过渡金属Sc、Ti、Zr、V、Nb、Hf、Ta或Mo；T代表表面官能团-F、-OH和＝O。
2.制备如权利要求1所述的GaAs/MXene异质结太阳电池的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用电子束蒸发法在GaAs衬底背面蒸镀一层Au作为背电极；
(2)在砷化镓表面制备MXene膜；
(3)在MXene膜表面蒸镀Ag、Cr、Ti、Ni、Au中的一种或几种复合电极；
步骤(2)中所述MXene指的是二维金属碳化物或氮化物，其化学式为Mn+1CnTX或Mn+1NnTX，其中n为1-3，M代表过渡金属Sc、Ti、Zr、V、Nb、Hf、Ta或Mo；T代表表面官能团-F、-OH和＝O。
3.根据权利要求2所述的GaAs/MXene异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，GaAs为p型或者n型掺杂。
4.根据权利要求2所述的GaAs/MXene异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，MXene前驱体体浓度为0.01mol/L-1mol/L。
5.根据权利要求2所述的GaAs/MXene异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，MXene制备工艺为旋涂、滴注成膜、喷墨打印或者自支撑膜辅助转移。
6.根据权利要求2所述的GaAs/MXene异质结太阳电池的制备方法，其特征在于，MXene转移完成后真空退火温度为30℃-300℃。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210416 |