一種改性氧化石墨烯及製備方法和用途與流程
2023-06-09 20:43:21 1
本發明屬於材料改性領域，具體涉及一種表面改性氧化石墨烯和製備方法及其用於製備太能能電池的方法。
背景技術：
氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯的氧化物，具有單一的原子層，可以隨時在橫向尺寸上擴展到數十微米，其結構跨越了一般化學和材料科學的典型尺度。石墨粉末經化學氧化及剝離後得到，其上含氧官能團增多而使性質較石墨烯更加活潑，可經由各種與含氧官能團的反應而改善本身性質。氧化石墨烯可視為一種非傳統型態的軟性材料，是一種性能優異的新型碳材料，具有較高的比表面積和表面豐富的官能團。氧化石墨烯複合材料包括聚合物類複合材料以及無機物類複合材料更是具有廣泛的應用領域，因此氧化石墨烯的表面改性成為一個研究重點。
隨著科技日新月異的發展，光伏發電技術在國內外均得到了廣泛的應用，其應用形式多種多樣，應用場所分布廣泛，主要用於大型地面光伏電站、住宅和商用建築物的屋頂、建築光伏建築一體化、光伏路燈等。太陽能電池主要是以半導體材料為基礎，其工作原理是利用光電材料吸收光能後發生光電轉換反應，太陽能電池發電量與光照面積有關，光照面積越大，發電量越多，典型的光伏材料僅對特定頻率和顏色的光發生反應，尤其對於紅外線，大多數太陽能電池不吸收紅外線，無法將其能量進行有效的利用，因此對於太陽能的利用效率較低。
目前將石墨烯和氧化石墨烯應用於太陽能電池領域尚處於探索階段，有專利文獻報導了將石墨烯作為發電材料用到太陽能電池中，吸收太陽光中的紅外線，將其作為發電材料的能量來源，但普通石墨烯本身儲存能量低，無法蓄積較多的能量，因此太陽能利用效率提升不明顯。
技術實現要素：
本發明的目的：針對目前存在的問題，提供一種改性氧化石墨烯，將其用於製備太陽能電池，提高太陽能的利用效率。
本發明的技術方案：選用含羧基的氧化石墨烯作為被改性的材料，過量的雙酚A作為改性材料，以無機鹽作為催化劑，發生酯化反應，將雙酚A引入到氧化石墨烯上，得到雙酚A和氧化石墨烯間隔排列的改性氧化石墨烯，其製備方法包括：
(1)選取雙酚A、無機鹽和DMAC溶劑加入到三口燒瓶中充分攪拌0.5h；
(2)向步驟1的三口燒瓶中加入含羧基的氧化石墨烯，在100-150℃冷凝回流反應6-8h，反應生成水後分層形成水層和有機層，將有機層在220-240℃真空條件下旋蒸分離出雙酚A和乙醇，得到改性氧化石墨烯。
作為優選，步驟(1)所述的無機鹽為硫酸鹽或硝酸鹽。
作為優選，步驟(1)和(2)所述的雙酚A、含羧基的氧化石墨烯、無機鹽催化劑和DMAC溶劑摩爾比為10:5-9:1:20。
一種用改性氧化石墨烯製備的太陽能電池，其製備方法包括：
(1)生長多晶矽薄膜，在真空條件下，襯底矽片的溫度為650-900℃時，採用物理沉降法在襯底矽片上製備厚度為100μm的多晶矽薄膜；
(2)退火，退火在通氫的真空電阻爐中進行，將步驟1含有多晶矽薄膜的襯底矽片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最後冷卻至常溫；
(3)生長改性石墨烯薄膜，採用PECVD設備製備改性石墨烯薄膜，控制溫度為300-400℃，氣壓為3-5MPa，功率為3500W，先在多晶矽薄膜上沉積一層改性石墨烯薄膜，間隔15min後繼續沉積第二層改性石墨烯薄膜，兩層薄膜沉積的厚度為100-200nm，形成太陽能電池片；
(4)雷射開孔，在退火後的太陽能電池片背面用雷射開孔，重複率為24％，平均能量為8W，單點能量為32μJ；
(5)PN結、減反膜和電極的製備，採用常規工業化的晶體矽太陽能電池PN結、減反膜和電極的製備方法，得到太陽能電池。
作為優選，步驟(5)所述的減反膜為Al2O3、TiO2或SiO2。
本發明的技術效果：
1.雙酚A和氧化石墨烯的羧基在無機鹽催化劑作用發生酯化反應，形成雙酚A改性的氧化石墨烯。雖然普通石墨烯對紅外線具有響應能力，但其儲存較少的能量則達到了飽和，無法起到儲存大能量的作用。而本發明製備的改性氧化石墨烯具有石墨烯的結構，同時又含有大極性的雙酚A，其中的石墨烯結構可以對外界的紅外線持續地響應，同時大極性的雙酚A結構可以將響應得到的能量儲存其中，形成一種「蓄能池」，為太陽能電池遠遠不斷地輸送能量，大幅度地提高了光能的利用效率。
2.本發明的太陽能電池含有雙層改性石墨烯薄膜，形成兩層「蓄能池」，避免單層改性石墨烯薄膜過厚，蓄積的能量較大而擊穿了「蓄能池」，本發明通過設計兩層薄膜從而解決了這樣的問題。
具體實施方式
實施例1
製備改性氧化石墨烯：
(1)選取5mol雙酚A、0.5mol硫酸鈉和5mol DMAC溶劑加入到三口燒瓶中充分攪拌0.5h；
(2)向步驟1的三口燒瓶中加入2.5mol含羧基的氧化石墨烯，在120-130℃冷凝回流反應7h，反應生成水後分層形成水層和有機層，將有機層在230℃真空條件下旋蒸分離出雙酚A，得到改性氧化石墨烯。
製備太陽能電池：
(1)生長多晶矽薄膜，在真空條件下，襯底矽片的溫度為800℃時，採用物理沉降法在襯底矽片上製備厚度為100μm的多晶矽薄膜；
(2)退火，退火在通氫的真空電阻爐中進行，將步驟(1)含有多晶矽薄膜的襯底矽片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最後冷卻至常溫；
(3)生長改性石墨烯薄膜，採用PECVD設備製備改性石墨烯薄膜，控制溫度為350-360℃，氣壓為4MPa，功率為3500W，先在多晶矽薄膜上沉積一層改性石墨烯薄膜，間隔15min後繼續沉積第二層改性石墨烯薄膜，兩層薄膜沉積的厚度為150nm，形成太陽能電池片；
(4)雷射開孔，在退火後的太陽能電池片背面用雷射開孔，重複率為24％，平均能量為8W，單點能量為32μJ；
(5)PN結、減反膜和電極的製備，採用常規工業化的晶體矽太陽能電池PN結、減反膜和電極的製備方法，得到太陽能電池。
實施例2
製備改性氧化石墨烯：
(1)選取5mol雙酚A、0.5mol硫酸鈉和7.5mol DMAC溶劑加入到三口燒瓶中充分攪拌0.5h；
(2)向步驟1的三口燒瓶中加入3.75mol含羧基的氧化石墨烯，在120-130℃冷凝回流反應6h，反應生成水後分層形成水層和有機層，將有機層在230℃真空條件下旋蒸分離出雙酚A，得到改性氧化石墨烯。
製備太陽能電池：
(1)生長多晶矽薄膜，在真空條件下，襯底矽片的溫度為800℃時，採用物理沉降法在襯底矽片上製備厚度為100μm的多晶矽薄膜；
(2)退火，退火在通氫的真空電阻爐中進行，將步驟(1)含有多晶矽薄膜的襯底矽片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最後冷卻至常溫；
(3)生長改性石墨烯薄膜，採用PECVD設備製備改性石墨烯薄膜，控制溫度為350-360℃，氣壓為4MPa，功率為3500W，先在多晶矽薄膜上沉積一層改性石墨烯薄膜，間隔15min後繼續沉積第二層改性石墨烯薄膜，兩層薄膜沉積的厚度為150nm，形成太陽能電池片；
(4)雷射開孔，在退火後的太陽能電池片背面用雷射開孔，重複率為24％，平均能量為8W，單點能量為32μJ；
(5)PN結、減反膜和電極的製備，採用常規工業化的晶體矽太陽能電池PN結、減反膜和電極的製備方法，得到太陽能電池。
實施例3
製備改性氧化石墨烯：
(1)選取5mol雙酚A、0.5mol硫酸鈉和10mol DMAC溶劑加入到三口燒瓶中充分攪拌0.5h；
(2)向步驟1的三口燒瓶中加入4.5mol含羧基的氧化石墨烯，在120-130℃冷凝回流反應6h，反應生成水後分層形成水層和有機層，將有機層在230℃真空條件下旋蒸分離出雙酚A，得到改性氧化石墨烯。
製備太陽能電池：
(1)生長多晶矽薄膜，在真空條件下，襯底矽片的溫度為800℃時，採用物理沉降法在襯底矽片上製備厚度為100μm的多晶矽薄膜；
(2)退火，退火在通氫的真空電阻爐中進行，將步驟(1)含有多晶矽薄膜的襯底矽片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最後冷卻至常溫；
(3)生長改性石墨烯薄膜，採用PECVD設備製備改性石墨烯薄膜，控制溫度為350-360℃，氣壓為4MPa，功率為3500W，先在多晶矽薄膜上沉積一層改性石墨烯薄膜，間隔15min後繼續沉積第二層改性石墨烯薄膜，兩層薄膜沉積的厚度為150nm，形成太陽能電池片；
(4)雷射開孔，在退火後的太陽能電池片背面用雷射開孔，重複率為24％，平均能量為8W，單點能量為32μJ；
(5)PN結、減反膜和電極的製備，採用常規工業化的晶體矽太陽能電池PN結、減反膜和電極的製備方法，得到太陽能電池。
對比實施例1
不製備改性氧化石墨烯，將實施例1步驟(2)中使用的含羧基的氧化石墨烯直接用於製備太陽能電池，其餘操作同實施例1，得到太陽能電池。
對比實施例2
不添加實施例1使用的雙酚A，製備改性氧化石墨烯工藝步驟(1)的操作為:選取0.5mol硫酸鈉和5mol DMAC溶劑加入到三口燒瓶中充分攪拌0.5h。其餘操作同實施例1，得到太陽能電池。
對比實施例3
將實施例1製備太陽能電池步驟(3)中只沉積一層改性氧化石墨烯薄膜，厚度與實施例1兩層薄膜厚度之和相同，其餘操作同實施例1，得到太陽能電池。
將實施例1-3和對比實施例1-3製備的太陽能電池投入到實際使用中，檢測關鍵參數，如表1所示，數據表明：①實施例1-3和對比實施例1數據表明，改性後的氧化石墨烯較未改性的含羧基氧化石墨烯提高了0.50％-0.86％；②實施例1-3和對比實施例1數據表明，雙酚A在氧化石墨烯改性過程中起到關鍵性作用；③實施例1-3和對比實施例3數據表明，雙層改性氧化石墨烯薄膜太陽能電池較單層改性氧化石墨烯薄膜太陽能電池提高了0.28％-0.64％。
表1實施例1-3和對比實施例1-2製備的太陽能電池使用參數表