[发明专利]一种在硅片表面制备石墨烯复合薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜制备领域，涉及一种石墨烯复合薄膜的制备方法，尤其涉及一种在硅片表面制备氨基硅烷-稀土改性氧化石墨烯复合薄膜的方法。

背景技术

随着中国的经济飞速发展，能源需求的增长速度让人担忧：仅在去年增长率高达12％。按照目前的消耗速度，再有120年，全世界的煤炭资源将消耗殆尽；约40～50年后，全世界的石油资源将消耗殆尽。传统的化石能源给人类带来巨大利益的同时也带来了环境污染、温室效应等一系列严重后果，近年来形势更加恶化。

国际上普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在太阳能热发电、风力发电、海洋发电、生物质能发电等许多可再生能源中具有更重要的地位。这是因为光伏发电有无可比拟的优点：充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等。

目前硅系列太阳能电池技术较为成熟，晶硅太阳能电池在成本、转换效率等多方面更有优势，在市场应用中占主流。但是与水电，火电和核电相比，硅太阳能电池的电力价格是比较高的，短时间内不可能把太阳能供电普及，居高不下的成本是限制硅太阳能电池成为主要供能方式的关键因素。在硅太阳能电池的研究中，成本和电池转换效率是需要同时考虑的两个因素。所以，进一步提高光电转换效率，也就成为该领域急需攻克的热点和难点。

石墨烯(Graphenes，GNS)是一种碳二维纳米材料，具有独特的物理化学特性，自Geim等于2004年发现以来，迅速成为化学、物理及材料科学领域的研究热点。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也最坚硬的材料，其导电、导热性能超强。近年来，GNS的研究主要聚焦在其制备、电学、光学、力学等，有关GNS在薄膜方面的应用以及光电性能的研究较少。

将石墨烯自组装到硅片表面，可以提高太阳能电池片的光电性能。但是石墨烯本身具有极强的稳定性，不易与基体材料结合成稳定的薄膜。因此，选择富含活性基团的氧化石墨烯材料，采用浸润法制备自组装氧化石墨烯复合薄膜。此外由于石墨烯纳米级尺寸和高的表面能导致其在溶液中易团聚，其吸附能力遭到降低；石墨烯由于表面特征在绝大部分溶剂中不溶，浸润性能差。为了改善石墨烯的分散性并增加其与基体界面的结合力，必须对石墨烯的表面进行改性，增加石墨烯表面的活性。经过大量实验研究发现，在石墨烯表面进行氨基功能化处理，稀土改性可以提高石墨烯的分散性，进而提高石墨烯的吸附能力。

经过对现有技术的检索发现，公开号为CN101771092A的中国发明专利申请公开了一种基于石墨烯/硅肖特基结的光伏电池及其制备方法，该方法采用直接转移、甩膜、喷涂、浸沾、过滤、干燥的方法制备石墨烯薄膜使其与基底电极上的n-Si紧密结合；该光伏电池具有降低硅的使用率，组装工艺简单、成本低的特点。但是该现有技术仅将石墨烯进行简单共混。因此，共混制备成复合材料后存在界面粘结性能差等缺点。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种工艺简单，能很好的改善石墨烯和硅片基体的界面结合力的在硅片表面制备石墨烯复合薄膜的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种在硅片表面制备石墨烯复合薄膜的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)首先将硅片浸泡在王水中加热5～6小时，在室温中自然冷却后取出，冲洗、干燥后浸于体积比为H₂SO₄∶H₂O₂＝70∶30的溶液中，于室温下处理1小时，用去离子水超声清洗后放在防尘装置内在烘箱中干燥，然后将处理后的硅片浸入氨基硅烷浓度为0.1～1.0mmol/L的乙醇溶液中，超声3分钟，静置水解0.5～1h取出，用无水乙醇、去离子水洗涤，并在N₂下干燥；将所得硅片置于烘箱内90℃保温处理90min，然后浸入三氯氧化磷溶液中，反应2h后，用大量的去离子水冲洗，并在氮气中干燥，使硅片表面组装大量磷酸基团，得到表面组装有氨基硅烷薄膜的硅片；

(2)将氧化石墨烯在室温下浸入稀土改性剂中浸泡2～4小时，过滤后烘干，将处理得到的氧化石墨烯按0.1～0.2mg/mL放入分散剂中，于120W超声波分散1～3小时，得到稳定的悬浮液；