[發明專利]一種基于不同類黑磷材料的太陽能電池及制備方法

有效

• 申請號: 202110464509.1
• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113394302B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 涂昌昕;雷雙瑛;江源長;陳潔;黃慶安
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01L31/0224
• 分類號: H01L31/0224;H01L31/032;H01L31/0352;H01L31/0392;H01L31/072;H01L31/18
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 馮慧

本文給出了一種通過不同類黑磷的不同堆垛結構來實現一種新型的異質結太陽能電池。所述異質結薄膜太陽能電池由下至上依次包括五層結構：基底、ITO涂層、雙層AB堆垛GeS、雙層旋轉AD堆垛的SnS和上電極。雙層AB堆垛GeS和雙層旋轉SnS?ADd堆垛結合可構成Ⅱ型半導體異質結，以AD結構的雙層旋轉SnS為給體，其能帶間隙為1.4654eV，以AB結構的GeS為受體。通過機械剝離的方法來得到不同堆垛結構的雙層類黑磷結構。在白光照射下，本文提供的太陽能電池其開路電壓理論上達到1.088V，短路電流密度達到301.937A/㎡，太陽能電池的AM1.5能量轉換效率高達21.35％。

技術領域

本發明涉及一種用少層GeS堆垛和少層SnS堆垛結構實現半導體太陽能電池的方法，屬于半導體技術領域。

背景技術

能源是人類生存的基石，是人類全球經濟發展的引擎。非可再生傳統能源無約束的使用產生了溫室效應、大氣污染等許多的生態問題，影響了人類的生存。因此，開發可再生清潔能源迫在眉睫，太陽能作為一種新型綠色環保能源，引起了新能源開發者的廣泛關注。

太陽能具有取之不盡用之不竭、清潔無污染等特點，在人類急迫需要能源替代來緩解能源緊缺之際，太陽能無疑是一個非常優質的選項。可再生能源替代不可再生能源已經成為全球迫切解決的問題。太陽能的有效利用和開發有助于解決目前存在的能源問題。通過科學研究實驗的不斷突破和創新，規模化有序化地開發并利用可再生清潔能源來解決因不可再生能源利用帶來的惡劣問題，達到人與自然和諧發展，這有著極大的戰略意義。

近幾年來，具有原子層厚度的2D材料因其優越的的性質受到了人們的廣泛研究，如石墨烯、MoS2、黑磷烯等等。近期，新型的類黑磷烯材料受到了人們的關注。類黑磷材料和黑磷材料具有及其相似的性質，如高電子遷移率和優越的光學性質等等。且類黑磷烯相比于黑磷烯更加穩定。本文通過理論計算，選取2種穩定的類黑磷烯結構即雙層GeS-AB堆垛和雙層旋轉SnS-AD堆垛。本文通過這2種結構構成Ⅱ型半導體異質結來制造半導體太陽能電池。在白光照射下，本文提供的太陽能電池其開路電壓理論上達到1.088V，短路電流密度達到301.937A/㎡，太陽能電池的AM1.5能量轉換效率高達21.35％。

發明內容

1.技術問題：本發明的目的在于提供一種異質結太陽能電池及其制備方法，使用二維材料SnS和GeS的不同堆垛結構組成Ⅱ型異質結制備太陽能電池，降低制備成本，且具有很高的光電轉化效率。

2.技術方案：一種基于類黑磷材料的異質結薄膜太陽能電池，該異質結太陽能電池由下而上包括如下結構：最底層為襯底，第二層為陽極涂層，第三層為雙層AB堆垛的GeS結構；第四層為雙層旋轉AD堆垛SnS，最上面為陰極，陰極占雙層旋轉SnS-AD堆垛總面積的10％到15％，而陽極在陽極涂層上，使得陽極與雙層AB堆垛的GeS結構不接觸。

所述異質結材料分別為雙層AB堆垛的GeS結構和雙層旋轉AD堆垛SnS，這兩種結構都是通過探針剝離的方法將初始結構進行錯位得到。

所述異質結太陽能電池中的雙層AB堆垛的GeS和雙層旋轉AD堆垛SnS為雙層，厚度為雙層GeS-AB堆垛結構為：第一層結構相當于相對第二層沿a方向移動了約0.281個周期，而雙層旋轉SnS-AD堆垛的第二層相當于第一層沿b方向移動了半個周期的距離，且其第二層相對第一層旋轉了180°；AB堆垛的GeS雙層薄膜和AD堆垛旋轉SnS雙層薄膜組成異質結，AD堆垛作為給體部分，AB堆垛作為受體部分，雙層旋轉的SnS-AD堆垛和雙層AB堆垛GeS構成了一個Ⅱ型異質結。

采用的陽極和襯底都為一體化的導電玻璃。

一種所述的基于類黑磷材料的異質結薄膜太陽能電池的制備方法，該制備方法包括以下步驟：

a.采用光刻法制備襯底和陽極電極，使得陽極與雙層AB堆垛的GeS結構不接觸；

b.GeS薄膜和SnS薄膜的制備：使用液相法制備GeS，通過電沉積法來制備SnS；