一种GaAs-锑烯异质结太阳电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池的技术领域，公开了一种GaAs‑锑烯异质结太阳电池及其制备方法。所述GaAs‑锑烯异质结太阳能电池由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。本发明专利技术通过在GaAs片上通过分子束外延方式直接生长二维原子晶体材料锑烯，制备的太阳电池具有GaAs/锑烯异质结，锑烯层与GaAs之间形成良好的带隙匹配，实现太阳能电池高的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种GaAs-锑烯异质结太阳电池及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池的
，具体涉及一种GaAs-锑烯异质结太阳电池及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，具有高电导率，高透光度，高电子迁移率，功函数可调等优点，可被用来制备高电子迁移率晶体管等光电器件。然而，以石墨烯为代表的IV族元素二维原子晶体材料带隙为零或趋近于零，极大地限制了其在光电子领域中的应用前景。石墨烯与GaAs接触可以形成肖特基接触，利用肖特基结可以制备太阳能电池。但是石墨烯-GaAs肖特基结太阳电池的光电转换率仍有待提高。硅太阳电池也是如此，其光电性能也有待改善。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种新结构的太阳电池GaAs-锑烯异质结太阳电池。本专利技术的GaAs-锑烯异质结太阳电池不仅工艺简单成本低，而且明显提高太阳电池的光电转换效率。本专利技术的另一目的在于提供上述GaAs-锑烯异质结太阳电池的制备方法。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种GaAs-锑烯异质结太阳能电池，由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。所述锑烯层生长完后，需将生长完锑烯层的GaAs衬底进行退火处理。退火的温度为150～500℃，退火的时间为5～30分钟。所述背电极为常规的电极材料，优选为金电极、银电极或铝电极；厚度为50～400nm。所述顶电极为常规的电极材料，优选为导电银胶或银丝；厚度为100～3000nm。所述GaAs衬底为GaAs外延片，优选为N型GaAs片，GaAs片的电子浓度为1×1017-9×1017cm-3。所述锑烯层的层数为1～10层。所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，还包括GaAs重构层，所述GaAs重构层位于GaAs衬底和锑烯层之间。所述GaAs重构层的厚度为0.5～5μm。所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：(1)在GaAs衬底的一面镀上背电极，将GaAs衬底中镀有背电极的一面称为下表面，另一面称为上表面；(2)采用分子束外延法，在GaAs衬底的上表面生长GaAs重构层；(3)采用分子束外延(MBE)法，在GaAs重构层表面生长锑烯层；(4)在锑烯层上制备顶电极。步骤(1)中在GaAs衬底的一面镀上背电极，具体步骤为：(S1)镀背电极：将GaAs晶圆上蒸镀一层金属，作为背电极；所述金属为常规的电极材料；背电极的厚度为50～400nm；(S2)切割：将镀有背电极的GaAs晶圆采用激光线切割成方片，然后去除方片表面的杂质，获得一面镀有背电极的GaAs片。所述去除方片表面的杂质是指将切割好的GaAs片依次采用丙酮、乙醇中超声清洗，然后用超纯水清洗，再采用稀盐酸溶液处理，超纯水清洗，并吹干。步骤(2)中所述GaAs重构层的具体制备条件为：采用分子束外延方法生长，生长温度为300-800℃，生长速率为200-600nm/h，生长过程中的Ga源束流为：1×10-7～9×10-7torr，As源束流为：3×10-6～5×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：0.5-5μm。步骤(3)中所述采用分子束外延法在GaAs重构层表面生长锑烯的条件为：生长过程中MBE生长室的真空度为1×10-9～1×10-10mbar，衬底温度为300～800℃，生长过程中锑源束流为：1×10-7～1×10-6torr，生长时间为：5～30分钟，锑烯的层数为1～10层。由于GaAs(111)的晶格常数与锑烯的理论晶格常数十分接近，在GaAs的表面会生长出锑烯。步骤(3)中所述锑烯层在生长完后需进行退火处理。所述退火的温度为150～500℃，退火的时间为5～30分钟。步骤(4)中所述顶电极为常规的电极材料，优选为银；所述顶电极具体是将导电银胶涂在锑烯上，烘干。所述烘干的条件于热板上40～120℃干燥3～30min。所述正电极为正方形、圆形、环形或其他形状，优选为正方形。二维原子晶体锑烯(Antimonene)，单层锑烯的禁带宽度为2.28eV，同时锑烯具有比石墨烯更高的电子迁移率，锑烯在空气中具有非常高的化学稳定性，暴露空气后不会被氧化。本专利技术在GaAs衬底上(或者GaAs重构层上)直接生长二维原子晶体材料锑烯，形成了GaAs/锑烯异质结，该异质结具有优异的光生伏特效应。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：(1)本专利技术通过在GaAs片上通过分子束外延方式直接生长二维原子晶体材料锑烯，并制备基于GaAs/锑烯异质结的太阳电池，由于单层锑烯是直接带隙半导体材料，具有理想的禁带宽度，单层锑烯约2.28eV，且与GaAs之间形成良好的带隙匹配，可有效的起到分离电子空穴对的作用，从而减少电子和空穴的复合，最终实现太阳能电池高的光电转换效率；(2)本专利技术的制备方法简单有效，器件制备工艺成本低，电池光电转换效率明显提高。附图说明图1为本专利技术的GaAs-锑烯肖特基结太阳电池的结构示意图；图2为实施例1的GaAs-锑烯异质结太阳电池的电流-电压关系曲线；退火前表示GaAs-锑烯异质结太阳电池中生长完锑烯层未进行退火处理，退火后表示GaAs-锑烯异质结太阳电池中生长完锑烯层进行了退火处理。具体实施方式下面结合实施例和附图，对本专利技术作进一步地详细说明，但本专利技术的实施方式不限于此。一种GaAs-锑烯异质结太阳能电池的结构示意图如图1所示，由下至上依次包括背电极1、GaAs衬底2、锑烯层3、顶电极4。所述背电极为常规的电极材料，优选为金电极、银电极或铝电极；厚度为50～400nm。所述顶电极为常规的电极材料，优选为导电银胶或银丝；厚度为100～3000nm。所述GaAs衬底为GaAs外延片，优选为N型GaAs片，GaAs片的电子浓度范围为1×1017-9×1017cm-3。所述锑烯层的层数为1～10层。所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，还包括GaAs重构层，所述GaAs重构层位于GaAs衬底和锑烯层之间。所述GaAs重构层的厚度为0.5～5μm。实施例1本实施例的GaAs-锑烯异质结太阳电池的结构，由下至上依次包括底部金电极(背电极)、n型GaAs衬底、GaAs重构层、锑烯层和导电银胶电极(顶电极)。本实施例的一种GaAs-锑烯异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：(1)背面电极的制备：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护(一是固定n型GaAs晶片衬底在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘)，将衬底放进电子束蒸发系统，蒸镀金电极；金电极的厚度为150nm；(2)切割：将镀好金电极的n型GaAs晶片衬底采用激光线切割成约一平方厘米大小的方片；(3)清洗n型GaAs衬底：将切割好的n型GaAs衬底依次置于丙酮和乙醇中超声清洗，各自清洗10分钟；用超纯水冲洗3遍后，放进稀盐酸处理3分钟；最后是用超纯水冲洗n型GaAs衬底表面5遍后，氮气枪吹干衬底表面待用；(4)蒸镀GaAs重构层：将清洗干净的GaAs衬底放入分子束外延系统，GaAs衬底上表面(GaAs衬底中镀有金电极的一面称为下表面，另一面称为上表面)生长GaAs重构层，生长温度为650℃，生长速率为400纳米每小时，生长过程中的Ga源束流为：5×10-7torr，As源束流为：2×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：600纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种GaAs‑锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。

【技术特征摘要】
1.一种GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。2.根据权利要求1所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs衬底为N型GaAs片；GaAs片的电子浓度为1×1017-9×1017cm-3；所述锑烯层的层数为1～10层。3.根据权利要求1所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述背电极为常规的电极材料；厚度为50～400nm；所述顶电极为常规的电极材料；厚度为100～3000nm。4.根据权利要求1所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，还包括GaAs重构层，所述GaAs重构层位于GaAs衬底和锑烯层之间。5.根据权利要求4所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs重构层的厚度为0.5～5μm。6.根据权利要求1～5任一项所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)在GaAs衬底的一面镀上背电极，将GaAs衬底中镀有背电极的一面称为下表面，另一面称为上表面；(2)采用分子束外延法，在GaAs衬底的上表面生长GaAs重构层；(3)采用分子束外延法...

【专利技术属性】
技术研发人员：张曙光，温雷，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44