一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池及其制备方法
阅读说明：本技术 一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池及其制备方法 (Graphene/gallium arsenide solar cell with array micro-nano lens structure and preparation method thereof ) 是由 李国强 邓曦 刘兴江 王文樑 于 2021-07-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池及其制备方法。本发明的石墨烯/砷化镓太阳电池自下而上依次包括背面电极、砷化镓层、石墨烯层、栅电极和具有表面阵列式微纳透镜结构的薄膜。本发明制备的石墨烯/砷化镓太阳电池具有更高光利用效率,增强电池表面光吸收,提高光电转化效率等优点,制备的具有微透镜结构的薄膜能够更好的将电池表面入射光收集起来,便于太阳电池进行光伏效应,有利于制备高转化效率的石墨烯/砷化镓太阳电池。(The invention discloses a graphene/gallium arsenide solar cell with an array micro-nano lens structure and a preparation method thereof. The graphene/gallium arsenide solar cell sequentially comprises a back electrode, a gallium arsenide layer, a graphene layer, a gate electrode and a film with a surface array type micro-nano lens structure from bottom to top. The graphene/gallium arsenide solar cell prepared by the method has the advantages of higher light utilization efficiency, enhanced light absorption of the surface of the cell, improved photoelectric conversion efficiency and the like, and the prepared film with the micro-lens structure can better collect incident light on the surface of the cell, is convenient for the photovoltaic effect of the solar cell, and is beneficial to preparing the graphene/gallium arsenide solar cell with high conversion efficiency.)
技术领域
本发明属于太阳电池技术领域，具体涉及一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池及其制备方法。
背景技术
近年来，基于二维材料(尤其是石墨烯)和半导体相结合的异质结太阳电池引起了人们极大的研究兴趣。虽然石墨烯具有极高的电子迁移速率，高透光率，高导热率，拥有优秀的光电特性，使得它非常适合应用于光伏领域。但是其带隙为零，本身并不能有效地将光转化为电。因此，基于砷化镓半导体材料的石墨烯/砷化镓异质结太阳电池是将入射光转化为电的一个很好的选择。目前的石墨烯/砷化镓异质结太阳电池转化效率较低。目前已有报导的石墨烯/砷化镓单结太阳电池测得的最高效率为16.2％。这个数值相比传统的多晶硅太阳电池目前效率能达到18.5％-22.8％来说，效率还比较低，再加上传统的砷化镓太阳电池制造工艺复杂，成本较高，因此需要考虑通过使用新的结构设计来提高石墨烯/砷化镓单结太阳电池的光伏性能。
纳米压印技术(NIL)是一种利用机械接触挤压的方法使被压印材料在模板和基底之间发生再分布，形成所需图案构型的方法。与传统的光刻技术相比，纳米压印技术制造的图案具有更高分辨率，且拥有产率高、成本低、可大规模批量化生产等特点，利用纳米压印技术可以在太阳电池表面批量制备设计出的图形，有利于制备具有高精度微纳结构的薄膜。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池的制备方法。本发明所述方法可以降低制备工艺成本。
本发明的另一目的在于提供上述方法制得的一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池。
本发明制备的石墨烯/砷化镓太阳电池具有光吸收能力强、光电转化效率高等特点。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在砷化镓衬底或外延片的一面制备背电极；
(2)采用湿法转移将石墨烯转移至步骤(1)所述砷化镓衬底或外延片的另一面，干燥后，在石墨烯表面制备栅电极；
(3)在栅电极表面旋涂纳米压印胶并半固化成薄膜，然后采用纳米压印技术将半固化薄膜制备成表面阵列式微纳透镜图案，即得具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池；
其中纳米压印技术所用软模板为纳米透镜结构软模板，其表面图案为阵列分布的凹面镜结构，图案直径为100～200nm，厚度为50～200nm，图案间距为100～200nm。
优选地，步骤(1)所述砷化镓外延片指沿(100)晶面外延生长的外延片，所述砷化镓衬底或砷化镓外延片的结构并无特别限定，可以为本领域技术人员熟知的适用于砷化镓太阳电池的外延结构。
优选地，步骤(1)所述砷化镓衬底或外延片在使用前，需依次经丙酮/异丙醇、乙醇和去离子水清洗。
优选地，步骤(1)所述砷化镓衬底或外延片为单结砷化镓、双结镓铟磷/砷化镓和三结镓铟磷/砷化镓/锗中的至少一种。
优选地，步骤(1)所述背电极由常规的蒸镀和退火处理制备得到。
优选地，步骤(1)所述背电极和步骤(2)所述栅电极的材料均为金、银、钛、铜、铂和镍中的至少一种。
优选地，步骤(2)所述石墨烯的层次为1～5层；所述湿法转移的方法为：将铜基石墨烯浸泡入FeCl3水溶液中并取出铜基，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片将石墨烯依次转移到丙酮、乙醇、去离子水、稀盐酸和去离子水中，并分别超声清洗5min，除去杂质，然后将石墨烯转移到砷化镓衬底上。
更优选地，所述稀盐酸中盐酸与水的体积比为1:10。
优选地，步骤(2)所述干燥采用真空辅助烘干以去除水分。
优选地，步骤(2)所述栅电极包括主栅电极和细栅电极，所述主栅电极沿石墨烯层表面边界分布，厚度为50～150nm，宽度为50～200μm；所述细栅电极厚度为50～150nm，宽度为3～5μm，间距为200～500μm，更优选为3μm的宽度和300μm的间距。
优选地，步骤(2)所述栅电极采用蒸镀的方法制备。
优选地，步骤(3)所述旋涂工艺为：将步骤(2)所得背面电极-砷化镓-石墨烯-栅电极放置在旋涂机中，在栅电极一面的中心位置滴加纳米压印胶混合液，旋涂机转速2000～5000r/min，旋涂时间为60～200s，其中滴加的纳米压印胶混合液体积与砷化镓衬底或外延片的面积比为0.05～0.2mL/cm2。
更优选地，所述旋涂时间为120s。
优选地，步骤(3)所述纳米压印胶为GLR Primer增粘剂与GLR-Plus紫外纳米压印胶体积比1:1混合液(青岛天仁微纳科技有限公司)。
优选地，步骤(3)所述半固化的温度为100～150℃，时间为1～4min。
优选地，步骤(3)所述纳米压印技术的条件为：工作温度为室温，接触压力为5～20MPa，启动和复位位移速度为0.5～2mm/s，接触和脱离位移速度为0.01～0.05mm/s，紫外曝光时间为30～120s，曝光后固化时间为2～5min。
更优选地，所述紫外曝光时间为60s。
优选地，步骤(3)所述纳米压印技术的步骤为：
将软模板放置在模板区，对准刻度线；将样品放置在衬底托盘上，校准样品位置；启动纳米压印机，设定压印参数；启动纳米压印程序，直至纳米压印完成，取出所得太阳电池片。
优选地，步骤(3)制备出表面阵列式微纳透镜图案后，还需进行刻蚀清除栅电极触点位置的薄膜，使太阳电池触点暴露出来，便于连接外部电路。
优选地，步骤(3)所述表面阵列式微纳透镜图案采用立方阵列排布。
优选地，步骤(3)所述软模板的图案参数为：直径100～200nm，厚度50～200nm，间距100～200nm。
上述方法制得的一种具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池。
优选地，所述具有阵列式微纳透镜结构的石墨烯/砷化镓太阳电池，其结构自上而下依次为阵列式微纳透镜结构的薄膜层、栅电极、石墨烯层、砷化镓外延片层和背面电极。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)相较于常见的石墨烯/砷化镓异质结太阳电池，在表面成型一层具有阵列式微纳透镜结构薄膜结构能够起到提高太阳电池表面的光吸收，微纳透镜结构能更好的将入射光汇集起来入射到太阳电池表面，从而提高太阳电池的光利用率。
(2)本发明的太阳电池表面微纳透镜结构薄膜采用高透光性高分子聚合物，几乎不影响太阳电池的采光。由于薄膜图案采用纳米压印技术，制备方便，精确性好，微纳结构尺寸可自由调控，易于一次成型，制备过程不改变太阳电池的制备工艺，应用范围广。
(3)本发明的太阳电池表面微纳透镜结构薄膜同时可以起到封装保护电池的作用，防止太阳电池表面受空气中的水分和氧气作用发生氧化，因此可以增加电池使用寿命和稳定性。
附图说明
图1为具有表面微纳透镜结构薄膜的石墨烯/砷化镓太阳电池结构示意图，其中，阵列式微纳透镜结构的薄膜层(1)、正面(主)栅电极(2)、石墨烯层(3)、砷化镓外延片层(4)和背面电极(5)。
图2为制备相应参数微纳透镜阵列图案的软模板图形示意图。
图3为实施例1中引入微纳透镜阵列结构前后石墨烯/砷化镓太阳电池I-V特性。
具体实施方式
下面结合实施例和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。
参照图1，本发明的石墨烯/砷化镓太阳电池自上而下依次为阵列式微纳透镜结构的薄膜层(1)、正面(主)栅电极(2)、石墨烯层(3)、砷化镓外延片层(4)和背面电极(5)。
参照图2，本发明所述纳米压印技术所用的模具为纳米透镜结构软模板，模板的表面图案为阵列化分布的凹面镜结构。
实施例所述湿法转移的方法为：将铜基石墨烯浸泡入FeCl3水溶液中并取出铜基，利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片将石墨烯依次转移到丙酮、乙醇、去离子水、稀盐酸(HCl与水体积比为1：10)和去离子水中，并分别超声清洗5min，除去杂质，然后将石墨烯转移到砷化镓衬底上。
实施例1
(1)使用丙酮乙醇和去离子水依次对砷化镓衬底外延片((100)晶面)(衬底为2英寸)进行超声清洗，之后取出衬底用氮气枪吹干；在砷化镓衬底外延片的一面制备通过蒸镀和退火处理制备金镀层作为背电极；
(2)采用湿法转移将石墨烯转移至上述砷化镓未制备电极的一面；利用真空辅助烘干，除去水分；采用金作为电极材料在石墨烯表面蒸镀厚度为100nm、宽度3μm、间距为300μm的细栅电极和沿石墨烯层表面边界分布的厚度为100nm、宽度为100μm的主栅电极；
(3)在步骤(2)栅电极一面的表面中心位置滴加0.1mL纳米压印胶(GLR Primer增粘剂与GLR-Plus紫外纳米压印胶按体积比1:1的混合液，青岛天仁微纳科技有限公司)，采用3000r/min旋涂120s，之后放在120℃烘箱中保温2min，在电池片表面形成半固化薄膜结构；
(4)使用纳米压印技术制备表面阵列式微纳透镜图案，将软模板放置在模板区，对准刻度线；将样品放置在衬底托盘上，校准样品位置；启动纳米压印机，设定压印参数；启动纳米压印程序，直至纳米压印完成；
其中所用软膜版的模板图案为立方阵列分布的阵列式微纳凹面镜结构，参考图2所示，直径100nm，厚度50nm，图案阵列间距100nm；纳米压印技术压印机设置条件为：工作温度为室温，接触压力为10MPa，启动和复位位移速度为1mm/s，接触和脱离位移速度为0.02mm/s，紫外线照射60s，之后保持压印状态180s，获得具有模具反向图案的完全固化薄膜；
(5)进行刻蚀，除去栅电极触点处覆盖的压印胶。
实施例1最终制备的石墨烯/砷化镓太阳电池I-V特性曲线参照图3，开路电压Voc为0.765V，短路电流密度ISC为24.1mAcm-2，填充因子FF为50.14％，光电转化效率为9.39％。
对于未采用纳米压印技术制备表面微纳透镜结构阵列薄膜的石墨烯/砷化镓太阳电池(即步骤1和2所得太阳能电池)其开路电压Voc为0.758V，短路电流密度ISC为20.8mA cm-2，填充因子FF为55.14％，光电转化效率为8.51％。
实施例2
与实施例1不同的是，实施例2中制备表面栅电极的细栅间距为500μm，通过控制压印胶旋涂时间为60s改变表面薄膜厚度。选用软膜板图案参数为直径200nm，厚度50nm，图案阵列间距200nm，紫外曝光时间30s，其他条件及制备方法与实施例1相同。最终制得的石墨烯/砷化镓太阳电池开路电压Voc为0.758V，短路电流密度ISC为21.3mA cm-2，填充因子FF为50.24％，光电转化效率为8.11％。
实施例3
与实施例1不同的是，实施例3控制纳米压印胶旋涂时间为90s，选用软膜板图案参数为透镜图案直径150nm，厚度50nm，图案阵列间距150nm，紫外曝光时间90s，其他条件及制备方法与实施例1相同。最终制得的石墨烯/砷化镓太阳电池开路电压Voc为0.758V，短路电流密度ISC为22.5mA cm-2，填充因子FF为50.11％，光电转化效率为8.55％。
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。
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