[發明專利]一種表面等離子增強的二維材料/半導體異質結太陽能電池及其制備方法

有效

• 申請號: 201610039779.7
• 申請日: 2016-01-20
• 公開（公告）號: CN105679861B
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 林時勝;李曉強
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01L31/0352
• 分類號: H01L31/0352;H01L31/074;H01L31/0735;H01L31/18;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 韓介梅

技術領域

本發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/半導體異質結太陽能電池及其制備方法，屬于新型太陽能電池技術領域。

背景技術

太陽能電池作為一種新型綠色能源，是人類的可持續發展最重要的可再生能源。目前，晶體硅太陽能電池占據市場～90％的份額。但與常規發電相比，太陽電池發電成本仍然較高，限制了其廣泛應用。太陽電池發電成本較高的原因之一是電池制造成本較高及光電轉化效率較低。

自石墨烯材料發現以來，其在電學、光學、磁學以及力學方面表現出的優異性質如極高的載流子遷移率、高透光新、高的楊氏模量等引發了石墨烯在諸多領域應用的憧憬。其中石墨烯在太陽能電池領域的應用研究為石墨烯在能源領域的應用打開了大門。目前，已有研究者利用電場調控在石墨烯/砷化鎵異質結太陽能電池取得18.5％的轉化效率，已經與目前商用硅太陽能電池相當，預示著未來商業化的前景。在石墨烯材料開啟了二維材料的大門以后，二維半導體材料比如二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、黑磷、二維碳化硅等大大拓展了二維材料體系。二維材料/半導體異質結的一個重要特點就是結區基本位于器件表面，因此通過前表面的設計可以有效的提高二維材料/半導體異質結太陽能電池的轉化效率。

發明內容

本發明的目的在于提供一種表面等離子增強的二維材料/半導體異質結太陽能電池及其制備方法。

本發明的表面等離子增強的二維材料/半導體異質結太陽能電池，自下而上依次有背面電極、半導體層、二維材料層和金屬量子點層，在二維材料層上還設有正面電極，在半導體層與二維材料層之間位于正面電極正下方設有電極絕緣層。

上述技術方案中，所述的半導體層為n型或p型摻雜的半導體材料。所述的二維材料層為石墨烯、二硫化鉬、二硫化鎢、二硒化鎢、黑磷或二維碳化硅，所述的二維材料層的厚度為0.4-500nm。

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。

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。

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合電極。

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合電極。

制造上述表面等離子增強的二維材料/半導體異質結太陽能電池的方法，包括如下步驟：

1)在潔凈的半導體襯底一面制作背面電極；

2)在上述半導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移至步驟2)所得的半導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的區域制作正面電極；

5)在二維材料上制作金屬量子點層。

本發明的根據二維材料/半導體異質結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結結區，相比較于傳統pn結結區處于相對較深的位置，本發明提出的表面等離子共振可以有效提高二維材料/半導體異質結太陽能電池的轉化效率，效果顯著，工藝簡單，便于推廣。

附圖說明

圖1為表面等離子增強的二維材料/半導體異質結太陽能電池的結構示意圖；

圖2為表面等離子增強效應對太陽能電池電流密度-電壓曲線的影響。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步說明。

參照圖1，本發明的表面等離子增強的二維材料/半導體異質結太陽能電池，其特征在于自下而上依次有背面電極1、半導體層2、二維材料層4、金屬量子點層5，在二維材料層上還設有正面電極6，在半導體層與二維材料層間位于正面電極下方設有電極絕緣層3。

實施例1：

1)在n型砷化鎵背面利用熱蒸發沉積鉻金復合電極；

2)在砷化鎵襯底另一面利用電子束蒸發以及掩膜法沉積100納米厚的氧化鋁電極絕緣層；

3)將0.4納米厚的石墨烯利用PMMA作為支撐層轉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；

4)在電極絕緣層范圍內的石墨烯上直接涂銀漿并烘干作為正面電極；

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/砷化鎵異質結太陽能電池。