一种GaAs异质结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池技术领域，具体涉及一种GaAs异质结太阳电池及其制备方法。

背景技术

太阳电池是一种可以有效吸收太阳能并将其转化成电能的半导体部件。CNTs/GaAs异质结太阳电池是一种新型的太阳电池，近年来得到了广泛应用。CNTs/GaAs异质结太阳电池采用GaAs(带隙为1.42eV)衬底代替了传统的Si衬底，且还采用了光透过率高、载流子迁移率高、能带匹配可调的碳纳米管(CNTs)薄膜与GaAs衬底来形成异质结。然而，现有的CNTs/GaAs异质结太阳电池存在光电转换效率较低、稳定性差(器件效率在一周内便会下降一半)、制备工艺较复杂等问题，难以完全满足实际应用要求。

因此，开发一种光电转换效率高、稳定性好、制备工艺简单的GaAs异质结太阳电池具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GaAs异质结太阳电池及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种GaAs异质结太阳电池，其组成包括依次层叠设置的背电极层、GaAs衬底、第一碘化亚铜层、碳纳米管层、第二碘化亚铜层和顶电极层。

优选地，所述背电极层为Au层。

优选地，所述背电极层的厚度为50nm～200nm。

优选地，所述GaAs衬底为Si掺杂的GaAs衬底，Si的掺杂浓度为1.0×10

注：掺杂浓度是指每1cm

优选地，所述GaAs衬底的厚度为100μm～500μm。

优选地，所述第一碘化亚铜层的厚度为50nm～300nm。

优选地，所述碳纳米管层中的碳纳米管的长度为5μm～30μm，直径(外径)为1nm～2nm。

优选地，所述第二碘化亚铜层的厚度为50nm～300nm。

优选地，所述顶电极层由导电银浆制成。

优选地，所述顶电极层的厚度为0.1μm～2.0μm。

一种如上所述的GaAs异质结太阳电池的制备方法包括以下步骤：

1)采用电子束蒸发法在GaAs衬底的一面蒸镀电极金属，再进行退火，形成背电极层；

2)采用旋涂法将CuI分散液涂覆在GaAs衬底未蒸镀背电极层的那一面，再进行退火，形成第一碘化亚铜层；

3)将碳纳米管分散液抽滤成膜，再将得到的碳纳米管薄膜覆盖在第一碘化亚铜层表面进行按压贴合，形成碳纳米管层；

4)采用旋涂法将CuI分散液涂覆在碳纳米管层表面，再进行退火，形成第二碘化亚铜层；

5)将导电银浆涂覆在第二碘化亚铜层表面，再干燥形成顶电极层，即得GaAs异质结太阳电池。

优选地，步骤1)所述退火在温度为300℃～400℃的条件下进行，退火时间为20s～40s。

优选地，步骤2)所述CuI分散液的浓度为5mg/mL～20mg/mL。

优选地，步骤2)所述旋涂法采用的设备为匀胶机。

优选地，步骤2)所述涂覆在匀胶机的转速为3000r/min～6000r/min的条件下进行，旋涂的时间为30s～60s。

优选地，步骤2)所述退火在温度为80℃～105℃的条件下进行，退火时间为10min～30min。

优选地，步骤3)所述碳纳米管分散液中含有阴离子型表面活性剂。

优选地，所述阴离子型表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠。

优选地，步骤4)所述CuI分散液的浓度为5mg/mL～20mg/mL。

优选地，步骤4)所述旋涂法采用的设备为匀胶机。

优选地，步骤4)所述涂覆在匀胶机的转速为3000r/min～6000r/min的条件下进行，旋涂的时间为30s～60s。

优选地，步骤4)所述退火在温度为80℃～105℃的条件下进行，退火时间为10min～30min。

本发明的原理：本发明的GaAs异质结太阳电池中的n型GaAs与p型CuI之间可以形成异质结，GaAs衬底受光激发产生电子空穴对，空穴通过由第一碘化亚铜层、碳纳米管层和第二碘化亚铜层构成的三明治结构层并通往外电路，同时，CuI和GaAs之间存在着较高的势垒，第一碘化亚铜层可以阻碍电子流向碳纳米管层，有利于降低载流子的表面复合，从而可以提高太阳电池的性能，此外，第二碘化亚铜层可以减少传统电极制备工艺存在的界面损耗，且可以作为减反射层，提高了光利用率，从而提高了器件的性能与稳定性。

本发明的有益效果是：本发明的GaAs异质结太阳电池具有光电转换效率高、稳定性好等优点，且其制备工艺简单、成本低廉，适合进行大规模工业化应用。

具体来说：

1)本发明的GaAs异质结太阳电池中设置有由第一碘化亚铜层、碳纳米管层和第二碘化亚铜层构成的三明治结构层，利用第一碘化亚铜层和GaAs衬底之间的势垒可以阻挡电子流向碳纳米管层，利用第二碘化亚铜层作为钝化层可以减少界面损耗，从而降低了载流子复合，提高了开路电压，最终实现了太阳电池的光电转换效率和稳定性的提升；

2)本发明通过旋涂法制备CuI薄膜，可以有效避免传统热蒸发法制备CuI薄膜易导致的组分分布不均的问题，且旋涂法简单易操作，可以大大降低太阳电池的制作成本。

附图说明

图1为本发明的GaAs异质结太阳电池的结构示意图。

附图标识说明：10、背电极层；20、GaAs衬底；30、第一碘化亚铜层；40、碳纳米管层；50、第二碘化亚铜层；60、顶电极层。

图2为实施例1的GaAs异质结太阳电池的能带结构示意图。

图3为实施例1和对比例的GaAs异质结太阳电池的稳定性测试结果图。

图4为实施例1～3和对比例的GaAs异质结太阳电池的电流密度-电压关系曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1：

一种GaAs异质结太阳电池(结构示意图如图1所示，剖面结构；能带结构示意图如图2所示)，其由依次层叠设置的背电极层10、GaAs衬底20、第一碘化亚铜层30、碳纳米管层40、第二碘化亚铜层50和顶电极层60构成。

上述GaAs异质结太阳电池的制备方法如下：

1)采用电子束蒸发系统在厚度为350μm的GaAs衬底(Si掺杂的GaAs衬底，Si的掺杂浓度为2.0×10

2)将步骤1)得到的含背电极层的GaAs衬底用金刚笔破裂成大小规格为0.7cm×0.7cm的衬底片，再用质量分数为10％的HCl溶液浸泡3min，再依次用丙酮、乙醇和去离子水各超声清洗5min，再用氮气吹干，再将CuI粉末溶解在乙腈中制成浓度为10mg/mL的CuI分散液，再将CuI分散液旋涂在GaAs衬底未蒸镀背电极层的那一面，旋涂在匀胶机的转速为5000r/min的条件下进行，旋涂的时间为45s，再在温度为95℃的条件下退火20min，形成第一碘化亚铜层；

3)将1mg的碳纳米管(长度为5μm～30μm，直径为1nm～2nm)加入质量分数为0.5％的十二烷基苯磺酸钠水溶液中，再进行超声分散，再4000rpm离心20min，取1.5mL的悬浮液加水稀释至30mL，得到浓度为0.006mg/mL的碳纳米管分散液，再进行真空抽滤制膜，再将得到的碳纳米管薄膜覆盖在衬底片中的第一碘化亚铜层表面，再滴上乙醇并用手指按压使碳纳米管薄膜与衬底表面接触紧密，再放入烘箱中55℃干燥，再去除滤膜，形成碳纳米管层；

4)将CuI粉末溶解在乙腈中制成浓度为5mg/mL的CuI分散液，再将CuI分散液旋涂在碳纳米管层表面，旋涂在匀胶机的转速为5000r/min的条件下进行，旋涂的时间为45s，再在温度为85℃的条件下退火20min，形成第二碘化亚铜层；

5)在第二碘化亚铜层的四周边缘贴上绝缘胶带(减少漏电)，再沿着绝缘胶带涂一圈导电银浆，并保证导电银浆与第二碘化亚铜层有接触，再放入烘箱中100℃烘30min形成顶电极层，即得GaAs异质结太阳电池。

性能测试：

本实施例的GaAs异质结太阳电池的稳定性测试(测试周期为1个月)结果如图3所示，电流密度-电压关系曲线如图4所示。

由图3和图4可知：本实施例的GaAs异质结太阳电池的开路电压V

实施例2：

一种GaAs异质结太阳电池，除了制备时将步骤2)中的“再将CuI粉末溶解在乙腈中制成浓度为10mg/mL的CuI分散液，再将CuI分散液旋涂在GaAs衬底未蒸镀背电极层的那一面，旋涂在匀胶机的转速为5000r/min的条件下进行，旋涂的时间为45s，再在温度为95℃的条件下退火20min”调整为“再将CuI粉末溶解在乙腈中制成浓度为15mg/mL的CuI分散液，再将CuI分散液旋涂在GaAs衬底未蒸镀背电极层的那一面，旋涂在匀胶机的转速为6000r/min的条件下进行，旋涂的时间为60s，再在温度为85℃的条件下退火30min”以外，其余与实施例1完全一样。

性能测试：

本实施例的GaAs异质结太阳电池的电流密度-电压关系曲线如图4所示。

由图4可知：本实施例的GaAs异质结太阳电池的开路电压V

实施例3：

一种GaAs异质结太阳电池，除了制备时将步骤4)中的“将CuI粉末溶解在乙腈中制成浓度为5mg/mL的CuI分散液，再将CuI分散液旋涂在碳纳米管层表面，旋涂在匀胶机的转速为5000r/min的条件下进行，旋涂的时间为45s”调整为“将CuI粉末溶解在乙腈中制成浓度为10mg/mL的CuI分散液，再将CuI分散液旋涂在碳纳米管层表面，旋涂在匀胶机的转速为4000r/min的条件下进行，旋涂的时间为60s”以外，其余与实施例1完全一样。

性能测试：

本实施例的GaAs异质结太阳电池的电流密度-电压关系曲线如图4所示。

由图4可知：本实施例的GaAs异质结太阳电池的开路电压V

对比例：

一种GaAs异质结太阳电池，除了未设置第一碘化亚铜层30和第二碘化亚铜层50以外，其余与实施例1完全一样。

性能测试：

本对比例的GaAs异质结太阳电池的稳定性测试(测试周期为1个月)结果如图3所示，电流密度-电压关系曲线如图4所示。

由图3和图4可知：本对比例的GaAs异质结太阳电池的开路电压V

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。