本发明专利技术提供了一种光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半导体衬底，位于所述高阻光增益半导体衬底上的石墨烯层，位于所述高阻光增益半导体衬底和所述石墨烯层上的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述高阻光增益半导体衬底的带隙。该光伏装置充分利用各组成部分的优势，光电转换效率高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于半导体
，尤其涉及一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法。
技术介绍
自从1947年贝尔实验室的科学家巴丁(John Bardeen)和布拉顿(Walter Brattain)专利技术了半导体晶体管之后，PN结作为现代半导体器件的基本结构单元在现代半导体光电组件和系统中得到了广泛的应用。基于PN结原理的光伏效应，贝尔实验室于1954年第一次做出了光电转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池，开创了光伏发电的新纪元。半个多世纪以来，所有开发和利用的光伏器件都遵循这一原理。但是，传统半导体PN结复杂的器件工艺和较大的器件尺寸限制了其广泛应用，尤其在微纳器件和柔性器件的应用中有较大的局限性。随着石墨烯新型二维材料的出现，石墨烯优异的光电性能和只有单原子层的厚度为基于石墨烯的器件提供了机会。2010年Thomas Mueller等人在nature Photonics上发表的“Graphene photodetectors for high-speed optical communications”以及2013年Rujie Sun等人在Applied Physics Letters上发表的“Tunable photoresponse of epitaxial graphene on SiC”分别公开了一种基于石墨烯的光伏器件，但是这两篇文献中，光伏效应的产生都基于光热电效应，要求光伏器件的衬底尽可能对辐照光没有吸收作用，这样就大大限制了光源的选择范围。同时，在上述文献中对辐照光的吸收是通过金属或石墨烯来实现的。由于光热电效应的特点以及石墨烯单原子层厚的特征，现有技术中基于石墨烯的光伏器件对辐照光的吸收率仅有2.3％，光电转换效率低。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供了一种充
分利用各组成部分(包括衬底、金属电极和石墨烯)优势的高灵敏光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半导体衬底，位于所述高阻光增益半导体衬底上的石墨烯层，位于所述高阻光增益半导体衬底和所述石墨烯层上的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述高阻光增益半导体衬底的带隙。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述高阻光增益半导体衬底为高阻有机半导体或高阻无机半导体。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述高阻光增益半导体衬底为单一块体或生长在衬底上的半绝缘薄膜。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述光源为紫外光源，所述高阻光增益半导体衬底为SiC，或者所述光源为可见光源，所述高阻光增益半导体衬底为GaP或GaAs。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述高阻光增益半导体衬底的厚度大于50nm。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述石墨烯层在所述第一电极和所述第二电极间的长度大于3μm。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述第一电极和所述第二电极为金属电极。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述金属电极的电子功函数与所述高阻光增益半导体衬底的电子功函数的差大于0.1eV。根据本专利技术的光伏装置，优选地，所述第一电极和所述第二电极采用相同的金属。根据本专利技术的光伏装置，优选地，还包括所述第一电极或者所述第二电极之上的不透光的涂覆层。根据本专利技术的光伏装置，优选地，还包括分别电连接至所述第一电极和所述第二电极的第一引线和第二引线。根据本专利技术的光伏装置，优选地，还包括将所述高阻光增益半导体衬底、所述石墨烯层、所述第一和第二电极以及所述第一和第二引线进行封装的封装壳体，其中所述封装壳体具有通光窗口。本专利技术还提供了一种产生光伏效应的方法，包括采用光源辐照光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半导体衬底，位于所述高阻光增益半导体衬底上的石墨烯层，位于所述高阻光增益半导体衬底和所述石墨烯层上的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述方法包括：用其光的能量大于所述高阻光增益半导体衬底带隙的光源照射所述光伏器件。与现有技术相比，本专利技术的光伏装置充分利用了石墨烯器件的支撑衬底对比其带隙能量高的辐照光的有效吸收，产生的大量载流子快速转移到石墨烯器件的金属电极上，如果光伏装置的合适配置使得在石墨烯电极两端建立电压差，就会产生光伏效应。由于石墨烯器件的支撑衬底是体材料或薄膜材料，其对辐照光的吸收强。相对于现有技术方案，本专利技术的光伏装置的光伏效应更明显，光电转换效率更高。本专利技术的光伏装置可广泛应用于有机、无机半导体材料体系制备柔性、微纳尺度的光伏元器件。特别是在短路情况下，该光伏装置还可作为无需外部电源的超快、灵敏光探测器。附图说明以下参照附图对本专利技术的实施例作进一步说明，其中：图1为根据本专利技术的光伏装置的截面结构的示意图；图2为图1所示的光伏装置中光伏器件100的俯视图，未示出引线；图3为金属电极Ti与SiC异质结界面的能带结构示意图，其中EC、EV和EF分别表示SiC的导带、价带和费米能级；图4为有光照情况下石墨烯与金属电极Ti的能带结构示意图，其中，ΔE为在光子能量为hν(其能量大于高阻光增益半导体的带隙)的光辐照左侧电极的情况下，在石墨烯两端产生的费米能级差；图5为无光照情况下石墨烯与金属电极Ti的能带结构示意图；图6为石墨烯与SiC异质结界面的能带结构示意图；图7为本专利技术的具体示例的光伏器件在短路条件下的光电流响应曲线；图8为本专利技术另一示例的光伏装置中的光伏器件结构的俯视示意图；图9为本专利技术又一示例的光伏装置中的光伏器件结构的截面结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。为了充分利用和挖掘基于石墨烯的光伏器件中所有参与部件的作用，本专利技术提出了一种衬底对辐照光可吸收的光伏装置。由于衬底材料的厚度远远大于金属电极或石墨烯的厚度，其对辐照光的高效吸收产生的光生载流子能在衬底/金属界面电场和衬底/石墨烯界面电场的作用下快速转移到金属电极或石墨烯，引起金属电极或石墨烯费米能级的改变。通过采用非对称的金属电极或者非对称的辐照光，本专利技术的光伏装置在衬底可吸收的辐照光的照射下，快速在石墨烯两端的金属电极间建立起电压，从而产生光伏电压。而且本专利技术人还发现，本专利技术的光伏装置产生的光伏电压实际上是衬底吸收产生的光伏效应以及金属电极和石墨烯的光热电效应的叠加的结果，并且后者相比前者几乎可以忽略，所以本专利技术的光伏装置的光电转换效率远高于现有技术的光伏器件的光电转换效率。第一实施例图1示出了根据本专利技术的光伏装置的截面结构的示意图，包括光伏器件100和用于辐照光伏器件100的光源200，光伏器件100包括高阻光增益半导体衬底1，位于高阻光增益半导体衬底1上的石墨烯层2，位于高阻光增益半导体衬底1和石墨烯层2上的第一电极31和第二电极32，以及分别与第一、第二电极31、32电连接的第一本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半导体衬底，位于所述高阻光增益半导体衬底上的石墨烯层，位于所述高阻光增益半导体衬底和所述石墨烯层上的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述高阻光增益半导体衬底的带隙。
【技术特征摘要】
1.一种光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半导体衬底，位于所述高阻光增益半导体衬底上的石墨烯层，位于所述高阻光增益半导体衬底和所述石墨烯层上的第一电极和第二电极，其中，所述第一电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极的一部分与所述高阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述高阻光增益半导体衬底的带隙。2.根据权利要求1所述的光伏装置，其特征在于：所述高阻光增益半导体衬底为高阻有机半导体或高阻无机半导体。3.根据权利要求1所述的光伏装置，其特征在于：所述高阻光增益半导体衬底为单一块体或生长在衬底上的半绝缘薄膜。4.根据权利要求1所述的光伏装置，其特征在于：所述光源为紫外光源，所述高阻光增益半导体衬底为SiC，或者所述光源为可见光源，所述高阻光增益半导体衬底为GaP或GaAs。5.根据前述权利要求中任一项所述的光伏装置，其特征在于：所述高阻光增益半导体衬底的厚度大于50nm。6.根据权利要求1所述的光伏装置，其特征在于：所述石墨烯层在所述第一电极和所述第二电极间的长度大于3μm。7.根据权利要求1所述的光伏装置，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极为...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭丽伟，陈小龙，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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