一种表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电池及其制备方法

摘要

本发明公开了一种表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电池，该太阳能电池自下而上依次有背面电极、半导体衬底、二维材料和金属量子点层，在二维材料层上还设有正面电极，在半导体衬底与二维材料层之间设有电极绝缘层。其制备方法如下：首先在半导体衬底一面制作背面电极，之后在另一面制作电极绝缘层，然后将二维材料转移至半导体衬底上，再在二维材料上制作金属量子点层以及正面电极。本发明的表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电池利用表面等离子共振提高二维材料/半导体异质结太阳能电池的转化效率，工艺简单，便于推广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池及其制造方法，尤其涉及一种表面等 离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电池及其制备方法，属于新 型太阳能电池技术领域。

背景技术

太阳能电池作为一种新型绿色能源，是人类的可持续发展最重要 的可再生能源。目前，晶体硅太阳能电池占据市场～90％的份额。但 与常规发电相比，太阳电池发电成本仍然较高，限制了其广泛应用。 太阳电池发电成本较高的原因之一是电池制造成本较高及光电转化 效率较低。

自石墨烯材料发现以来，其在电学、光学、磁学以及力学方面表 现出的优异性质如极高的载流子迁移率、高透光新、高的杨氏模量等 引发了石墨烯在诸多领域应用的憧憬。其中石墨烯在太阳能电池领域 的应用研究为石墨烯在能源领域的应用打开了大门。目前，已有研究 者利用电场调控在石墨烯/砷化镓异质结太阳能电池取得18.5％的转化 效率，已经与目前商用硅太阳能电池相当，预示着未来商业化的前景。 在石墨烯材料开启了二维材料的大门以后，二维半导体材料比如二硫 化钼、二硫化钨、二硒化钨、黑磷、二维碳化硅等大大拓展了二维材 料体系。二维材料/半导体异质结的一个重要特点就是结区基本位于器 件表面，因此通过前表面的设计可以有效的提高二维材料/半导体异质 结太阳能电池的转化效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面等离子增强的二维材料/半导体 异质结太阳能电池及其制备方法。

本发明的表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电 池，自下而上依次有背面电极、半导体层、二维材料层和金属量子点 层，在二维材料层上还设有正面电极，在半导体层与二维材料层之间 位于正面电极正下方设有电极绝缘层。

上述技术方案中，所述的半导体层为n型或p型掺杂的半导体材 料。所述的二维材料层为石墨烯、二硫化钼、二硫化钨、二硒化钨、 黑磷或二维碳化硅，所述的二维材料层的厚度为0.4-500nm。

所述的电极绝缘层是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、氧化 铝、非晶硅、氮化铝、氟化镁、氧化钛、氧化锆或者高分子绝缘层， 厚度2纳米至200微米。

所述的金属量子点层为金、银、铝、镍，量子点尺寸为5纳米至 200纳米。

所述的背面电极是金、钯、银、钛、铬、镍、ITO、FTO、AZO 的一种或者几种的复合电极。

所述的正面电极是金、钯、银、钛、铜、铂、铬、镍、ITO、FTO、 AZO的一种或者几种的复合电极。

制造上述表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电池 的方法，包括如下步骤：

1)在洁净的半导体衬底一面制作背面电极；

2)在上述半导体衬底另一面利用模板法或者光刻工艺制作电极 绝缘层；

3)通过柔性高分子材料作为支撑层将二维材料转移至步骤2)所 得的半导体衬底具有电极绝缘层的一面上，使得二维材料覆盖在电极 绝缘层上；

4)在二维材料上位于电极绝缘层上方的区域制作正面电极；

5)在二维材料上制作金属量子点层。

本发明的根据二维材料/半导体异质结位于器件表面的特征，利 用表面等离子增强直接作用于异质结结区，相比较于传统pn结结区 处于相对较深的位置，本发明提出的表面等离子共振可以有效提高 二维材料/半导体异质结太阳能电池的转化效率，效果显著，工艺简 单，便于推广。

附图说明

图1为表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太阳能电池的 结构示意图；

图2为表面等离子增强效应对太阳能电池电流密度-电压曲线的 影响。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，本发明的表面等离子增强的二维材料/半导体异质结太 阳能电池，其特征在于自下而上依次有背面电极1、半导体层2、二维 材料层4、金属量子点层5，在二维材料层上还设有正面电极6，在半 导体层与二维材料层间位于正面电极下方设有电极绝缘层3。

实施例1：

1)在n型砷化镓背面利用热蒸发沉积铬金复合电极；

2)在砷化镓衬底另一面利用电子束蒸发以及掩膜法沉积100纳米 厚的氧化铝电极绝缘层；

3)将0.4纳米厚的石墨烯利用PMMA作为支撑层转移到砷化镓衬 底有电极绝缘层的一面并使部分石墨烯覆盖在氧化铝电极绝缘层上；

4)在电极绝缘层范围内的石墨烯上直接涂银浆并烘干作为正面 电极；

5)在石墨烯上旋涂80纳米粒径的金量子点溶液得到表面等离子 增强的石墨烯/砷化镓异质结太阳能电池。

得到的表面等离子增强的石墨烯/砷化镓异质结太阳能电池，光照 情况下在表面的金颗粒表面产生局域场增强，这种场增强渗透到石墨 烯/半导体结区，提高光在太阳能电池中的吸收和收集，提高光电转 换效率，如附图2所示。

实施例2：

1)在n型硅背面利用热蒸发沉积钛银复合电极；

2)在硅衬底另一面利用等离子增强化学气相沉积以及掩膜法沉 积200微米厚的氮化硅电极绝缘层；

3)将500纳米厚的二硫化钼利用PMMA作为支撑层转移到硅衬底 有电极绝缘层的一面并使部分二硫化钼覆盖在氮化硅电极绝缘层上；

4)在电极绝缘层范围内的二硫化钼上利用磁控溅射沉积镍作为 正面电极；

5)在石墨烯上旋涂200纳米粒径的银量子点溶液得到表面等离子 增强的二硫化钼/硅异质结太阳能电池。

实施例3：

1)在p型磷化铟背面利用热蒸发沉积铜铂复合电极；

2)在磷化铟衬底另一面利用原子层沉积以及掩膜法沉积2纳米厚 的氧化钛电极绝缘层；

3)将20纳米厚的二硫化钨利用PMMA作为支撑层转移到磷化铟 衬底有电极绝缘层的一面并使部分二硫化钨覆盖在氧化铝电极绝缘 层上；

4)在电极绝缘层范围内的二硫化钨上打印银浆并烘干作为正面 电极；

5)在石墨烯上旋涂5纳米粒径的铝量子点溶液得到表面等离子增 强的二硫化钨/磷化铟异质结太阳能电池。

实施例4：

1)在n型锗背面利用热蒸发沉积铬金复合电极；

2)在锗衬底另一面掩膜法旋涂得到500纳米厚的PI电极绝缘层；

3)将5纳米厚的二硒化钨利用PMMA作为支撑层转移到锗衬底有 电极绝缘层的一面并使部分二硒化钨覆盖在PI电极绝缘层上；

4)在电极绝缘层范围内的二硒化钨上磁控溅射AZO作为正面电 极；

5)在二硒化钨上热蒸发沉积10纳米厚的超薄镍层并在400摄氏度 退火30分钟得到表面等离子增强的二硒化钨/锗异质结太阳能电池。