一種表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太陽能電池及其制造方法，尤其涉及一種表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法，屬于新型太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽能電池作為一種新型綠色能源，是人類的可持續(xù)發(fā)展最重要的可再生能源。目前，晶體硅太陽能電池占據(jù)市場?90%的份額。但與常規(guī)發(fā)電相比，太陽電池發(fā)電成本仍然較高，限制了其廣泛應(yīng)用。太陽電池發(fā)電成本較高的原因之一是電池制造成本較高及光電轉(zhuǎn)化效率較低。
[0003]自石墨烯材料發(fā)現(xiàn)以來，其在電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)以及力學(xué)方面表現(xiàn)出的優(yōu)異性質(zhì)如極高的載流子迀移率、高透光新、高的楊氏模量等引發(fā)了石墨烯在諸多領(lǐng)域應(yīng)用的憧憬。其中石墨烯在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用研究為石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用打開了大門。目前，已有研究者利用電場調(diào)控在石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)太陽能電池取得18.5%的轉(zhuǎn)化效率，已經(jīng)與目前商用硅太陽能電池相當(dāng)，預(yù)示著未來商業(yè)化的前景。在石墨烯材料開啟了二維材料的大門以后，二維半導(dǎo)體材料比如二硫化鉬、二硫化鎢、二砸化鎢、黑磷、二維碳化硅等大大拓展了二維材料體系。二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的一個重要特點就是結(jié)區(qū)基本位于器件表面，因此通過前表面的設(shè)計可以有效的提高二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池及其制備方法。
[0005]本發(fā)明的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，自下而上依次有背面電極、半導(dǎo)體層、二維材料層和金屬量子點層，在二維材料層上還設(shè)有正面電極，在半導(dǎo)體層與二維材料層之間位于正面電極正下方設(shè)有電極絕緣層。
[0006]上述技術(shù)方案中，所述的半導(dǎo)體層為η型或P型摻雜的半導(dǎo)體材料。所述的二維材料層為石墨烯、二硫化鉬、二硫化鎢、二砸化鎢、黑磷或二維碳化硅，所述的二維材料層的厚度為0.4_500nm。
[0007]所述的電極絕緣層是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鋁、非晶硅、氮化鋁、氟化鎂、氧化鈦、氧化鋯或者高分子絕緣層，厚度2納米至200微米。
[0008]所述的金屬量子點層為金、銀、鋁、鎳，量子點尺寸為5納米至200納米。
[0009]所述的背面電極是金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、IT0、FT0、AZ0的一種或者幾種的復(fù)合電極。
[0010]所述的正面電極是金、鈀、銀、鈦、銅、鉑、鉻、鎳、IT0、FT0、AZ0的一種或者幾種的復(fù)合電極。
[0011]制造上述表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的方法，包括如下步驟:
[0012]I)在潔凈的半導(dǎo)體襯底一面制作背面電極；
[0013]2)在上述半導(dǎo)體襯底另一面利用模板法或者光刻工藝制作電極絕緣層；
[0014]3)通過柔性高分子材料作為支撐層將二維材料轉(zhuǎn)移至步驟2)所得的半導(dǎo)體襯底具有電極絕緣層的一面上，使得二維材料覆蓋在電極絕緣層上；
[0015]4)在二維材料上位于電極絕緣層上方的區(qū)域制作正面電極；
[0016]5)在二維材料上制作金屬量子點層。
[0017]本發(fā)明的根據(jù)二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)位于器件表面的特征，利用表面等離子增強直接作用于異質(zhì)結(jié)結(jié)區(qū)，相比較于傳統(tǒng)pn結(jié)結(jié)區(qū)處于相對較深的位置，本發(fā)明提出的表面等離子共振可以有效提高二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，效果顯著，工藝簡單，便于推廣。
【附圖說明】
[0018]圖1為表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為表面等離子增強效應(yīng)對太陽能電池電流密度-電壓曲線的影響。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0021]參照圖1，本發(fā)明的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于自下而上依次有背面電極1、半導(dǎo)體層2、二維材料層4、金屬量子點層5，在二維材料層上還設(shè)有正面電極6，在半導(dǎo)體層與二維材料層間位于正面電極下方設(shè)有電極絕緣層3。
[0022]實施例1:
[0023]I)在η型砷化鎵背面利用熱蒸發(fā)沉積鉻金復(fù)合電極；
[0024]2)在砷化鎵襯底另一面利用電子束蒸發(fā)以及掩膜法沉積100納米厚的氧化鋁電極絕緣層；
[0025]3)將0.4納米厚的石墨烯利用PMMA作為支撐層轉(zhuǎn)移到砷化鎵襯底有電極絕緣層的一面并使部分石墨烯覆蓋在氧化鋁電極絕緣層上；
[0026]4)在電極絕緣層范圍內(nèi)的石墨烯上直接涂銀漿并烘干作為正面電極；
[0027]5)在石墨烯上旋涂80納米粒徑的金量子點溶液得到表面等離子增強的石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)太陽能電池。
[0028]得到的表面等離子增強的石墨烯/砷化鎵異質(zhì)結(jié)太陽能電池，光照情況下在表面的金顆粒表面產(chǎn)生局域場增強，這種場增強滲透到石墨烯/半導(dǎo)體結(jié)區(qū)，提高光在太陽能電池中的吸收和收集，提高光電轉(zhuǎn)換效率，如附圖2所示。
[0029]實施例2:
[0030]I)在η型硅背面利用熱蒸發(fā)沉積鈦銀復(fù)合電極；
[0031]2)在硅襯底另一面利用等離子增強化學(xué)氣相沉積以及掩膜法沉積200微米厚的氮化娃電極絕緣層；
[0032]3)將500納米厚的二硫化鉬利用PMMA作為支撐層轉(zhuǎn)移到硅襯底有電極絕緣層的一面并使部分二硫化鉬覆蓋在氮化硅電極絕緣層上；
[0033]4)在電極絕緣層范圍內(nèi)的二硫化鉬上利用磁控濺射沉積鎳作為正面電極；
[0034]5)在石墨烯上旋涂200納米粒徑的銀量子點溶液得到表面等離子增強的二硫化鉬/硅異質(zhì)結(jié)太陽能電池。
[0035]實施例3:
[0036]I)在P型磷化銦背面利用熱蒸發(fā)沉積銅鉑復(fù)合電極；
[0037]2)在磷化銦襯底另一面利用原子層沉積以及掩膜法沉積2納米厚的氧化鈦電極絕緣層；
[0038]3)將20納米厚的二硫化鎢利用PMMA作為支撐層轉(zhuǎn)移到磷化銦襯底有電極絕緣層的一面并使部分二硫化鎢覆蓋在氧化鋁電極絕緣層上；
[0039]4)在電極絕緣層范圍內(nèi)的二硫化鎢上打印銀漿并烘干作為正面電極；
[0040]5)在石墨烯上旋涂5納米粒徑的鋁量子點溶液得到表面等離子增強的二硫化鎢/磷化銦異質(zhì)結(jié)太陽能電池。
[0041 ] 實施例4:
[0042]I)在η型鍺背面利用熱蒸發(fā)沉積鉻金復(fù)合電極；
[0043 ] 2)在鍺襯底另一面掩膜法旋涂得到500納米厚的PI電極絕緣層；
[0044]3)將5納米厚的二砸化鎢利用PMMA作為支撐層轉(zhuǎn)移到鍺襯底有電極絕緣層的一面并使部分二砸化鎢覆蓋在PI電極絕緣層上；
[0045]4)在電極絕緣層范圍內(nèi)的二砸化鎢上磁控濺射AZO作為正面電極；
[0046]5)在二砸化鎢上熱蒸發(fā)沉積10納米厚的超薄鎳層并在400攝氏度退火30分鐘得到表面等離子增強的二砸化鎢/鍺異質(zhì)結(jié)太陽能電池。
【主權(quán)項】
1.一種表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，自下而上依次有背面電極(1)、半導(dǎo)體層(2)、二維材料層(4)和金屬量子點層(5)，在二維材料層(4)上還設(shè)有正面電極(6)，在半導(dǎo)體層與二維材料層之間位于正面電極(6)正下方設(shè)有電極絕緣層(3)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述的半導(dǎo)體層(2)為η型或P型摻雜的半導(dǎo)體材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述的二維材料層(4)為石墨烯、二硫化鉬、二硫化鎢、二砸化鎢、黑磷或二維碳化娃，所述的二維材料層的厚度為0.4納米至500納米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述的電極絕緣層是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化鋁、非晶硅、氮化鋁、氟化鎂、氧化鈦、氧化鋯或者高分子絕緣層，厚度2納米至200微米。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述的金屬量子點層(5)為金、銀、招、鎳，量子點尺寸為5納米至200納米。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述的背面電極是金、鈀、銀、鈦、鉻、鎳、ITO、FTO、AZO的一種或者幾種的復(fù)合電極。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，其特征在于，所述的正面電極是金、鈀、銀、鈦、銅、鉑、鉻、鎳、ITO、FTO、AZO的一種或者幾種的復(fù)合電極。8.制造如權(quán)利要求1-7任一項所述的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的方法，其特征在于該方法包括如下步驟: 1)在潔凈的半導(dǎo)體襯底一面制作背面電極； 2)在上述半導(dǎo)體襯底另一面利用模板法或者光刻工藝制作電極絕緣層； 3)通過柔性高分子材料作為支撐層將二維材料轉(zhuǎn)移至步驟2)所得的半導(dǎo)體襯底具有電極絕緣層的一面上，使得二維材料覆蓋在電極絕緣層上； 4)在二維材料上位于電極絕緣層上方制作正面電極； 5)在二維材料上制作金屬量子點層。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池，該太陽能電池自下而上依次有背面電極、半導(dǎo)體襯底、二維材料和金屬量子點層，在二維材料層上還設(shè)有正面電極，在半導(dǎo)體襯底與二維材料層之間設(shè)有電極絕緣層。其制備方法如下：首先在半導(dǎo)體襯底一面制作背面電極，之后在另一面制作電極絕緣層，然后將二維材料轉(zhuǎn)移至半導(dǎo)體襯底上，再在二維材料上制作金屬量子點層以及正面電極。本發(fā)明的表面等離子增強的二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池利用表面等離子共振提高二維材料/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率，工藝簡單，便于推廣。
【IPC分類】H01L31/06, B82Y30/00, H01L31/18, H01L31/0352, B82Y40/00
【公開號】CN105679861
【申請?zhí)枴緾N201610039779
【發(fā)明人】林時勝, 李曉強
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月20日