一种具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si光伏器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件，该器件为复合层层状结构，由上至下依次包括ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层、上下表面均具有SiO2钝化层的Si单晶基片和金属In背电极。其制备方法，主要采用直流磁控溅射技术、利用高能电子依次轰击不同靶材表面：首先MoS2靶材、然后Pd靶材，最后到ITO靶材，以溅射出大量离子并先后在经过钝化处理后的Si单晶基片表面上沉积叠加成多层结构材料；并制作出背电极层即成。本发明专利技术的具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si光伏器件，其光转换效率，相对于现有技术的同类产品，提高了100％以上。本发明专利技术的工艺简单、控制简便，成品率高且制造成本低，适于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于半导体异质结的太阳能电池器件及其制备方法，尤其涉及一种具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏太阳能电池器件及其制备方法。
技术介绍
二硫化钼(MoS2)具有较强光吸收特征，其可见光吸收系数超过Si材料一个数量级，MoS2器件在单位面积上形成的光致电功率密度更是超过Si三个数量级。因此，MoS2已在研制新型光伏器件领域受到了广泛关注。基于目前Si半导体的成熟加工技术，以薄膜形态将MoS2与Si进行叠加形成异质薄膜，这为研制高效低成本光伏器件创造了便利途径。例如：中国专利申请CN104465844A公开了一种二硫化钼/硅p-n结太阳能电池器件及其制备方法，该方法利用磁控溅射技术在Si半导体表面直接沉积了一层MoS2薄膜，并在该p-n结器件中观测到了明显的光伏效应。中国专利申请CN105244414A公开了一种二硫化钼/硅异质结太阳能电池及其制备方法，该方法利用化学气相沉积技术在具有倒金子塔状表面结构特征的Si半导体表面直接沉积了一层MoS2薄膜，获得了光伏性能的提高。中国专利申请CN104617165A公开了一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件及其制备方法，该方法在MoS2和Si之间增加一层绝缘缓冲层材料，从而获得了增强的光伏性能。中国专利申请CN105226125A公开了一种Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件及其制备方法，该方法通过在MoS2薄膜中引入Pd金属元素，从而实现了MoS2光伏太阳能电池器件性能的提高。但是，上述已公开的MoS2/Si异质结光伏器件，对太阳光的转化效率均偏低，还远达不到产业/商业应用的要求。原因在于由于上述四种太阳能电池器件，均采用了单一金属层作为器件的前电极层。而金属材料的透光性较差，作为前电极，将会严重阻碍太阳光线入射进入MoS2光吸收层，导致器件光生电流密度大幅降低，从而显著降低器件对太阳光的转化效率。研究人员也曾尝试通过减小金属电极层的厚度的技术手段以达到提高光线透过率的目的，当金属电极层的厚度减小至10nm以下时，在一定程度上可以达到提高光线透过率的目的。但是，随之而来的问题是，这种超薄厚度导致了金属层的连续性变差，降低了电极层对光激发载流子的收集效率，同样降低了器件的短路电流密度和光转化效率等光伏性能。因此，如何改善MoS2器件的前电极结构，进而在此基础上，研制出具有较高光伏性能的太阳能电池器件，已成为当前基于MoS2/Si异质结光伏器件
的一个重要途径和研究方向。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是，提供一种短路电流密度高、开路电压大、光转化效率高的ITO/Pd双层结构复合电极和MoS2/Si异质结光伏太阳能电池器件。本专利技术为实现上述目的所需要解决的技术问题是，如何提高MoS2/Si异质结光伏器件前电极的透光性能，提高电极层对光激发载流子的收集效率的技术问题。本专利技术为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件，其特征在于，为复合层层状结构，由上至下依次包括ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层、上下两个表面均具有SiO2钝化层的Si单晶基片和金属In背电极；其中：所述Si基片的电阻率为1-2Ω·cm、晶面取向为(100)面、导电类型为p型；所述Si单晶基片的上下两个表面的SiO2钝化层的厚度均为3-5nm；所述ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层和金属In背电极的厚度分别为30-100nm、1-10nm、35nm和0.1mm；上述Pd金属层，其纯度为99.999％；上述ITO透明导电层材质为Sn掺杂In2O3，其中摩尔比Sn:In＝1:18。上述技术方案直接带来的技术效果是，在MoS2/Si异质结光伏器件中，超薄Pd金属层有效提高了的器件前电极的光透过性，同时起保护作用避免MoS2层被氧化；ITO透明导电层提高了前电极对光激发载流子的收集效率，使得MoS2/Si光伏器件在短路电流密度、开路电压和光转化效率等综合性能方面取得了显著的提升：检测结果表明，采用上述技术方案所制得的MoS2/Si异质结光伏器件，其在30mWcm-2的白光照条件下，太阳光转化效率5.1％。该光伏性能参数与具有纯Pd金属层前电极和纯ITO透明导电层电极的器件比较，分别提高超过130％和80％。为更好地理解上述技术方案，现从原理上进行详细说明：1、Pd超薄金属层对MoS2/Si异质结光伏器件达到的技术效果有两个方面：(1)1-10nm的超薄特征，可大幅提高Pd金属层的太阳光透过性，增强光激发载流子产生，提高光电流密度；(2)超薄的Pd金属层可作为MoS2光吸收层的保护层，避免ITO氧化物溅射过程中导致MoS2薄膜被氧化破坏。(这是因为，ITO氧化物材料中含有氧元素，若直接溅射沉积在MoS2膜层表面上，则在溅射过程中，ITO中大量的氧原子必然将对MoS2产生了氧化，同时造成严重界面扩散，降低MoS2层对光线的吸收和转化性能、破坏器件结构，大幅降低光伏器件的开路电压和光转化效率等光伏性能)。即，巧妙地利用超薄Pd金属层“隔离作用”，并通过将超薄Pd金属层与具有很高的可见光透明性质的ITO二者结合在一起，共同作为MoS2光吸收层之上的前电极(层)，从而有效提高电极层的太阳光透过率，进而大幅提高了MoS2/Si异质结光伏器件的光电流密度。2、ITO透明导电层对MoS2/Si异质结光伏器件达到的技术效果有两个方面：(1)对可见光的透明特征，可降低对太阳光线的吸收，增强器件中光激发载流子产生，提高光电流密度；(2)几十乃至上百纳米的厚度(30-100nm)，可大幅提高电极层对光激发载流子的收集效率，提高光电流密度和光转化效率等光伏性能。3、上述技术方案中，Si基片上下表面的SiO2钝化层采用热氧化的化学方法制备，使得SiO2层能有效地钝化Si单晶基片表面，减小光生电子空穴对的复合，钝化层的厚度为3-5nm，能保证光生载流子在隧穿效应下，穿过绝缘氧化层。4、上述技术方案中，采用0.1mm的In金属薄膜作为背电极，这是基于In金属在空气中具有很好的化学稳定性，不易与氧气发生氧化反应，保证了在异质结内形成均匀的电场。5、上述技术方案中，采用的是电阻率为1-2Ωcm的p型Si，该电阻率能满足在Si内具有较高的载流子浓度，同时能与MoS2薄膜形成异质结，保证了在耗尽区内光生电子空穴对的快速分离。实验证明，上述技术方案的具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件，具有短路电流密度高、开路电压大及光转化效率高等优点。优选为，所述Si单晶基片的SiO2钝化层是采用过氧化氢热氧化方法，对Si单晶基片的上、下两个表面进行氧化制得的；所述MoS2薄膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述Si单晶基片上表面的SiO2钝化层之上的；所述Pd金属层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述MoS2薄膜层之上的；所述ITO透明导电层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述Pd金属层之上的；所述金属In背电极是通过热熔法固结在所述Si基片下表面SiO2钝化层之上的。该优选技术方案直接带来的技术效果是，制备方法简单、产品质量稳定性与一致性更好。本专利技术的目的之本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件，其特征在于，为复合层层状结构，由上至下依次为ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层、上下两个表面均具有SiO2钝化层的Si单晶基片和金属In背电极；其中：所述Si基片的电阻率为1‑2Ω·cm、晶面取向为(100)面、导电类型为p型；所述Si单晶基片的上下两个表面的SiO2钝化层的厚度均为3‑5nm；所述ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层和金属In背电极的厚度分别为30‑100nm、1‑10nm、35nm和0.1mm；上述Pd金属层，其纯度为99.999％；上述ITO透明导电层的材质为Sn掺杂In2O3，其中摩尔比Sn:In＝1:18。

【技术特征摘要】
1.一种具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件，其特征在于，为复合层层状结构，由上至下依次为ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层、上下两个表面均具有SiO2钝化层的Si单晶基片和金属In背电极；其中：所述Si基片的电阻率为1-2Ω·cm、晶面取向为(100)面、导电类型为p型；所述Si单晶基片的上下两个表面的SiO2钝化层的厚度均为3-5nm；所述ITO透明导电层、Pd金属层、MoS2薄膜层和金属In背电极的厚度分别为30-100nm、1-10nm、35nm和0.1mm；上述Pd金属层，其纯度为99.999％；上述ITO透明导电层的材质为Sn掺杂In2O3，其中摩尔比Sn:In＝1:18。2.根据权利要求1所述的具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件，其特征在于，所述Si单晶基片的SiO2钝化层是采用过氧化氢热氧化方法，对Si单晶基片的上、下两个表面进行氧化制得的；所述MoS2薄膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述Si单晶基片上表面的SiO2钝化层之上的；所述Pd金属层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述MoS2薄膜层之上的；所述ITO透明导电层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述Pd金属层之上的；所述金属In背电极是通过热熔法固结在所述Si基片下表面SiO2钝化层之上的。3.一种如权利要求1所述的具有ITO/Pd双层结构复合电极的MoS2/Si异质结光伏器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，硅基片表面钝化步骤选取电阻率为1-2Ω·cm、晶面取向为(100)面p型Si单晶基片，依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；取出并用氮气吹干；然后，将吹干后的Si单晶基片置于烧杯中，浸没在质量百分比浓度为30％过氧化氢溶液液面下，并将烧杯置于水浴锅中，在100℃下水浴加热10min，以进行表面钝化；表面钝化完成后，取出Si单晶基片，用去离子水洗净，再用高纯氮气吹干，制得上下两个表面均具有Si...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝兰众，刘云杰，韩治德，薛庆忠，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37