石墨烯基复合薄膜、自清洁太阳能薄膜电池及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种石墨烯基复合薄膜、自清洁太阳能薄膜电池及制备方法，在石墨烯薄膜上垂直生长出连续光催化纳米薄膜，将该复合薄膜作为光透过层时，石墨烯薄膜的高透过率确保了该复合薄膜作为光透过层的较高的光透过率，利用光催化纳米薄膜来实现自清洁功能；进一步的，采用该石墨烯基复合薄膜作为电极层，利用石墨烯薄膜的快速载流子迁移率来提高导电速率，减少电池在光电转换时的损耗，利用垂直于石墨烯薄膜的纳米薄膜作为染料迁移通道，提高染料迁移速率，进而提高发电效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体
，具体涉及一种石墨烯基复合薄膜及其制备方法、自清洁太阳能薄膜电池及其制备方法。
技术介绍
随着半导体技术的发展和技术节点的不断降低，传统的硅材料已经表现出诸多限制和缺陷，由于石墨烯是目前世界上最薄、强度最高、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，所以石墨烯成为理想的硅的替代品。石墨烯薄膜制备以及性能已经受到全世界的关注和广泛研究，石墨烯薄膜因具有快速的载流子迁移率、高硬度以及易弯曲性而有望应用于半导体器件中。然而，石墨烯的禁带宽度为零，而半导体材料是要求具有一定禁带宽度的，因此研究如何将石墨烯薄膜的上述优点应用于半导体领域中是具有重要意义的。通常将半导体纳米材料与石墨烯复合来制备出兼具石墨烯上述优点也兼具半导体性能的复合结构，然而，半导体纳米材料在石墨烯上的生长是较为困难的，这也是业界的难题；虽然有人在石墨烯薄膜上制备出连续的纳米材料薄膜，但是这些纳米材料薄膜很容易脱落，限制了该复合结构的应用；为了提高纳米材料薄膜与石墨烯薄膜的结合度，可以尝试采用降低纳米材料薄膜的厚度的方法，并且为了进一步在石墨烯薄膜上生长出连续的纳米材料薄膜来发挥纳米材料薄膜的性能、以及提高石墨烯基复合结构的柔性等，更希望在石墨烯薄膜上生长的纳米材料薄膜的厚度降低至超薄甚至几个纳米的厚度，然而这样将得不到连续的纳米材料薄膜。此外，现有的太阳能电池存在如下缺陷：太阳能电池长期暴露于空气中造成自身的清洁问题，并且光利用率较低，发电效率低、体积较大，太阳能电池不能根据外界环境变化做到有效地自我保护。例如，当遇到雨天时，太阳能电池暴露于雨水之中，当处于夜晚时，太阳能电池此时不能够吸收太阳光进行工作了还暴露于空气中，从而造成太阳能电池的污染以及寿命降低。因此，研究在不影响太阳能电池的透过率的前提下，提高发电效率还能使太阳能电池兼具自我清洁功能，是具有重要意义的。
技术实现思路
为了克服以上问题，本专利技术旨在提供一种石墨烯基复合薄膜以及以该石墨烯基复合薄膜为基础的太阳能薄膜电池，来使得该石墨烯薄膜上生长出极薄的连续纳米材料薄膜，并且使太阳能薄膜电池具有自我清洁功能的同时还能够提高发电效率。为了达到上述目的，本专利技术一种石墨烯基复合薄膜，其特征在于，包括：一石墨烯薄膜以及垂直生长于所述石墨烯薄膜上的纳米薄膜；所述纳米薄膜的平面与所述石墨烯薄膜垂直；所述纳米薄膜的底部与所述石墨烯薄膜通过化学键相键合；所述纳米薄膜的材料为半导体光催化材料。优选地，所述石墨烯薄膜为两层原子层的石墨烯薄膜或三层原子层的石墨烯薄膜。优选地，所述纳米薄膜具有多个微镂空结构，从而构成纳米网。优选地，相邻的所述微镂空结构之间的间距不大于10nm。优选地，所述纳米网由纳米线垂直于透明衬底生长且相邻纳米线的侧面相接触形成纳米薄膜，再经纳米薄膜刻蚀形成微镂空区域。优选地，相接触的所述纳米线之间通过化学键相键合。优选地，纳米线的直径即为所述纳米薄膜的厚度。优选地，所述纳米薄膜的厚度不大于10nm。优选地，所述半导体光催化材料为宽带隙半导体光催化材料。优选地，所述宽带隙半导体光催化材料为钛合金纳米线和/或锌合金纳米线。优选地，所述石墨烯薄膜上具有多个呈阵列排布的所述纳米薄膜。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种上述的石墨烯基复合薄膜的制备方法，其包括：步骤01：提供一石墨烯薄膜；步骤02：在所述石墨烯薄膜上生长纳米薄膜；所生长的纳米薄膜所在平面垂直于所述石墨烯薄膜，所述纳米薄膜的底部与石墨烯薄膜通过化学键相键合。优选地，所述步骤02之后还包括：步骤03，在所述纳米薄膜上刻蚀出多个所述微镂空结构，从而形成纳米网。优选地，所述步骤03中，采用等离子体刻蚀技术或激光蚀刻来刻蚀出所述微镂空结构。优选地，所述步骤02中，纳米薄膜的生长过程包括：步骤021，在所述透明衬底上制备一维纳米种子阵列；步骤022，以纳米种子阵列为基，每颗纳米种子曲向生长出纳米线，从而形成纳米线阵列；步骤023，相邻纳米线的侧面相互接触，从而形成垂直于透明衬底的纳米薄膜。优选地，在所述步骤021中，其中至少有一列一维纳米种子阵列的制备包括：首先，在所述透明衬底上形成纳米种子前驱体溶液，干燥后形成纳米种子薄膜；其次，采用激光诱导技术在所述纳米种子薄膜上划出纳米级痕迹，纳米级痕迹区域诱导出纳米种子阵列。优选地，所述纳米级痕迹的线宽等于或大于纳米种子的直径，所述纳米种子阵列所在区域的宽度等于所述纳米级痕迹的线宽。优选地，所述步骤021中，其中至少有一列一维纳米种子阵列的制备包括：首先，在透明衬底上形成一层掩膜；然后，对掩膜进行光刻和/或刻蚀形成一道纳米级开口；最后，在纳米级开口所暴露的透明衬底上形成纳米种子阵列。优选地，当掩膜的材料为光敏感性材料时，采用光刻工艺在掩膜上刻蚀出一道纳米级开口；当掩膜的材料为无机材料时，采用光刻和刻蚀工艺或者仅采用各向异性刻蚀工艺来在掩膜上刻蚀出一道纳米级开口。优选地，所述步骤022中，采用化学气相沉积法、水溶液法、或电化学镀法来生长纳米线。为了达到上述目的，本专利技术还提供了一种石墨烯基自清洁太阳能薄膜电池，其从上到下依次设置有光透过层、透明电极层以及光转换层，入射光依次经光透过层和透明电极层，再进入光转换层，光转换层吸收了入射光之后进行光电转换而产生电；光透射层具有上述的石墨烯基复合薄膜，其中，所述石墨烯薄膜的底部位于透明电极层上表面。优选地，所述透明电极层采用权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，在光透射层的石墨烯薄膜下表面接触设置有透明衬底层，透明电极层的石墨烯薄膜紧贴透明衬底层下表面，透明电极层的石墨烯基复合薄膜中的纳米薄膜位于其石墨烯薄膜的下表面。优选地，在所述光透过层上方设置有可伸缩柔性透明保护层，所述可伸缩柔性透明保护层与所述光透过层之间具有空隙，来避免所述可伸缩柔性透明保护层与所述光透过层相接触；所述可伸缩柔性透明保护层的边缘连接有绝缘支撑结构，绝缘支撑结构的底部环绕设置于相应的所述光透过层的边缘，从而支撑可伸缩柔性透明保护层；所述可伸缩柔性透明保护层通过伸展或卷曲来实现对所述光透过层的遮蔽或暴露。优选地，卷曲的状态包括从内到外一圈一圈的卷起来而形成一个卷。优选地，所述可伸缩柔性透明保护层具有两层，第一层为亲水性透明层，用于在光照强度低于所设定的光照强度阈值时保护光透过层，从而减少可伸缩柔性透明保护层和光透过层上的有机污染物；第二层为疏水性透明层，用于在环境湿度超过所设定的湿度阈值时保护光透过层，从而抑制水分进入所述光透过层和进入太阳能薄膜电池内；亲水性透明层和疏水性透明层的边缘之间连接有另一个绝缘支撑结构，用于隔离和支撑两层透明层。优选地，所述的绝缘支撑结构包括上绝缘支撑结构和下绝缘支撑结构；所述上绝缘支撑结构位于所述下绝缘支撑结构的顶部，且所述上绝缘支撑结构的宽度小于所述下绝缘支撑结构的宽度，使得下绝缘支撑结构位于上绝缘支撑结构内侧的部分暴露出来而用于支撑位于下绝缘支撑结构上的一层可伸缩柔性透明保护层；上绝缘支撑结构的顶部用于支撑位于上绝缘支撑结构上的一层可伸缩柔性透明保护层。优选地，还具有控制器、第一转换器、第二转换器和判断器，控制器与判断器相电连，判断器与转换器相电连；光透过层的石墨烯基复合薄膜包括：光探测区域，用于探测照射到太阳能电池上光照强度；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯基复合薄膜，其特征在于，包括：一石墨烯薄膜以及垂直生长于所述石墨烯薄膜上的纳米薄膜；所述纳米薄膜的平面与所述石墨烯薄膜垂直；所述纳米薄膜的底部与所述石墨烯薄膜通过化学键相键合；所述纳米薄膜的材料为半导体光催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯基复合薄膜，其特征在于，包括：一石墨烯薄膜以及垂直生长于所述石墨烯薄膜上的纳米薄膜；所述纳米薄膜的平面与所述石墨烯薄膜垂直；所述纳米薄膜的底部与所述石墨烯薄膜通过化学键相键合；所述纳米薄膜的材料为半导体光催化材料。2.根据权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜为两层原子层的石墨烯薄膜或三层原子层的石墨烯薄膜。3.根据权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述纳米薄膜具有多个微镂空结构，从而构成纳米网。4.根据权利要求3所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，相邻的所述微镂空结构之间的间距不大于10nm。5.根据权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述纳米网由纳米线垂直于透明衬底生长且相邻纳米线的侧面相接触形成纳米薄膜，再经纳米薄膜刻蚀形成微镂空区域。6.根据权利要求5所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，相接触的所述纳米线之间通过化学键相键合。7.根据权利要求5所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，纳米线的直径即为所述纳米薄膜的厚度。8.根据权利要求7所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述纳米薄膜的厚度不大于10nm。9.根据权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述半导体光催化材料为宽带隙半导体光催化材料。10.根据权利要求9所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述宽带隙半导体光催化材料为钛合金纳米线和/或锌合金纳米线。11.根据权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜上具有多个呈阵列排布的所述纳米薄膜。12.一种权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜的制备方法，其特征在于，包括：步骤01：提供一石墨烯薄膜；步骤02：在所述石墨烯薄膜上生长纳米薄膜；所生长的纳米薄膜所在平面垂直于所述石墨烯薄膜，所述纳米薄膜的底部与石墨烯薄膜通过化学键相键合。13.根据权利要求12所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤02之后还包括：步骤03，在所述纳米薄膜上刻蚀出多个所述微镂空结构，从而形成纳米网。14.根据权利要求13所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤03中，采用等离子体刻蚀技术或激光蚀刻来刻蚀出所述微镂空结构。15.根据权利要求12或13所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤02中，纳米薄膜的生长过程包括：步骤021，在所述透明衬底上制备一维纳米种子阵列；步骤022，以纳米种子阵列为基，每颗纳米种子曲向生长出纳米线，从而形成纳米线阵列；步骤023，相邻纳米线的侧面相互接触，从而形成垂直于透明衬底的纳米薄膜。16.根据权利要求15所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤021中，其中至少有一列一维纳米种子阵列的制备包括：首先，在所述透明衬底上形成纳米种子前驱体溶液，干燥后形成纳米种子薄膜；其次，采用激光诱导技术在所述纳米种子薄膜上划出纳米级痕迹，纳米级痕迹区域诱导出纳米种子阵列。17.根据权利要求16所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述纳米级痕迹的线宽等于或大于纳米种子的直径，所述纳米种子阵列所在区域的宽度等于所述纳米级痕迹的线宽。18.根据权利要求15所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤021中，其中至少有一列一维纳米种子阵列的制备包括：首先，在透明衬底上形成一层掩膜；然后，对掩膜进行光刻和/或刻蚀形成一道纳米级开口；最后，在纳米级开口所暴露的透明衬底上形成纳米种子阵列。19.根据权利要求18所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，当掩膜的材料为光敏感性材料时，采用光刻工艺在掩膜上刻蚀出一道纳米级开口；当掩膜的材料为无机材料时，采用光刻和刻蚀工艺或者仅采用各向异性刻蚀工艺来在掩膜上刻蚀出一道纳米级开口。20.根据权利要求15所述的透明光催化薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤022中，采用化学气相沉积法、水溶液法、或电化学镀法来生长纳米线。21.一种石墨烯基自清洁太阳能薄膜电池，其从上到下依次设置有光透过层、透明电极层以及光转换层，入射光依次经光透过层和透明电极层，再进入光转换层，光转换层吸收了入射光之后进行光电转换而产生电；其特征在于，所述光透射层具有权利要求1所述的石墨烯基复合薄膜，其中，所述石墨烯薄膜的底部位于透明电极层上表面。22.根据权利要求21所述的石墨烯基自清洁太阳能薄膜电池，其特征在于，所述透明电极层采用权利要求1所述的石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪际军，
申请(专利权)人：全普光电科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31