本发明专利技术涉及一种石墨烯/MoS2/Si异质结薄膜太阳能电池及其制备方法。采用气体携载液相MoS2分子的化学气相沉积方法，能较好控制流量和反应速度，得到超薄的、大面积均匀、表面平整粗糙度很小的MoS2薄膜，有效减小了p-MoS2/n-Si异质结的界面特型，减小漏电流，提高太阳能电池的光电转换效率。利用化学气相沉积方法得到的大面积均匀、透明性和导电性良好的石墨烯薄膜作为透明导电电极，MoS2/Si异质结对光生电子、空穴有很强的收集作用，提高了太阳能电池的光伏效应和转换效率。本发明专利技术提供的太阳能电池在100mW白光照射下，其开路电压达到0.98V，短路电流达到4.6mA,光能转换效率达到4.5%。
【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/MoS2/Si异质结薄膜太阳能电池及其制备方法
本专利技术涉及一种太阳能电池，特别涉及一种石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池及其制备方法。
技术介绍
MoS2，又称为辉钼，常温下呈金属光泽的黑色固体物质，具有优异的化学稳定性、热稳定性(熔点1185℃)和润滑性，通常用于机械、切削工具的表面涂层或润滑剂。结构上，辉钼呈六方密堆积的石墨层状结构，层与层间由弱相互作用的范德瓦耳斯力相结合。与石墨容易剥离为单原子层的石墨烯相似，通过微机械剥离辉钼也容易成为单层MoS2膜[S.Bertolazzi,J.Brivio,A.Kis,StretchingandBreakingofUltrathinMoS2,ACSNano,V.5(12):9703-9709,2011.]。单层MoS2为S-Mo-S三原子共价键结合的正六边形平面结构，厚度仅为0.65nm。块体MoS2为间接带隙(1.2eV)半导体，由于量子限域效应，单层MoS2转变为直接带隙(1.8eV)[K.F.Mak,C.Lee,J.Hone,J.Shan,T.F.Heinz,AtomicallythinMoS2:anewdirect-gapsemiconductor.Phys.Rev.Lett.V.105:136805-08,2010]。由间接带隙转变为直接带隙，光子跃迁增益可提高～104，使单层MoS2对可见光（300-700nm）有极高光吸收率和光发射效率[G.Eda,H.Yamaguchi,D.Voiry,T.Fujita,M.Chen,M.Chhowalla,CorrectiontoPhotoluminescencefromChemicallyExfoliatedMoS2,NanoLett.V.12(1),526–526,2012.]。硅太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅）以制备工艺成熟、寿命长等优势一直占有90%以上的市场份额。但Si是间接带隙半导体，光吸收效率很低，使商品化硅太阳能电池的转换效率普遍低于20%。较低的转换效率和较高的成本已成为太阳电池的瓶颈，严重限制了光伏产业的发展。我们知道，太阳能电池的转换效率是由半导体的光伏效应决定的。因此，寻找具有显著光伏效应、低成本太阳能电池材料，实现高转换效率已成为目前太阳能电池研究领域的主攻方向。Si是间接带隙半导体，光吸收效率很低，另外，硅的吸收峰值波长为930nm，近红外波段的辐射有较好的吸收，而对300-700纳米的可见光吸收相对较弱。使硅太阳能电池的转换效率较低。单层MoS2在400～700nm可见光波段有很强的吸收，其吸收谱正好与Si吸收谱形成了优势互补，覆盖了整个可见光和近红外波段。如果将单层MoS2与Si接触，形成MoS2/Si异质结可极大增强器件在可见光波波段的吸收，显著提高器件光伏效应和光电转换效率，制备高效率的MoS2/Si异质结太阳能电池。石墨烯是一种由碳原子以六角形元胞紧密堆栈而成的厚度仅为0.35nm的单层二维(2D)蜂窝状晶体。石墨烯是世界上公认为最薄、最坚硬、传导电子速度最快的材料。其载流子迁移率高达2×105cm2/v,比硅中电子迁移率高100倍。石墨烯还具有良好的光学性质，可见光透射率高达98.5%,可用于透明导电膜和太阳能电池。因此，在MoS2/Si异质结太阳能电池中石墨烯可用作透明导电薄膜。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种能有效提高光电转换效率的石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池及其制备方法。实现本专利技术目的的技术方案是提供一种石墨烯/MoS2/Si异质结薄膜太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：（1）衬底清洗：以n-Si(111)片为衬底，用稀HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管进行沉积处理；石英管的真空度为10-2Pa,加热到300℃维持10分钟，以去除硅片表面的水汽；（2）MoS2薄膜制备：将石英管加热到500～600℃，用氩气作为携载气体，通入以稀硫酸为溶剂的MoS2溶液，在所述的MoS2溶液中加入Al(NO3)3溶液，以Al(NO3)3作为Al掺杂剂对MoS2进行p型掺杂，按质量比，MoS2：Al(NO3)3为1:20～1:50；气携载MoS2和Al(NO3)3进入石英管在n-Si(111)片进行吸附、成核和生长5～10分钟后，将石英管升温到950℃进行退火处理，退火时间为20～40分钟，得到MoS2/Sipn结；（3）将石英管温度维持在950℃，甲烷分解为碳原子和氢气，在氩气10～30sccm流量的气相输运作用下碳原子到达已形成的MoS2/Sipn结的MoS2表面并被吸附到表面，在衬底表面迁移后在衬底表面成核，再通过范德瓦尔斯吸引力吸引其它碳原子，并与成键的碳原子形成六角网状结构的石墨烯薄膜；（4）对n-Si(111)片的下表面蒸镀铝电极，形成太阳能电池的阴极，得到一种石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池。本专利技术技术方案还包括按上述方法制备得到的石墨烯/MoS2/Si异质结薄膜太阳能电池。本专利技术技术方案的有益效果：由于采用了气体携载液相MoS2分子的化学气相沉积方法，能较好控制流量和反应速度，得到超薄的、大面积均匀、表面平整粗糙度很小的MoS2薄膜，从而可以有效减小p-MoS2/n-Si异质结的界面特型，减小漏电流，提高太阳能电池的光电转换效率。同时，利用化学气相沉积方法可以得到大面积均匀、透明性和导电性良好的石墨烯薄膜。附图说明图1是本专利技术实施例提供的石墨烯/p-MoS2/n-Si异质结太阳能电池的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池的能带结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池的工作原理；图4是本专利技术实施例提供的MoS2薄膜采用化学气相沉积系统装置的结构示意图；图5、图6和图7分别是本专利技术实施例利用化学气相沉积方法制备的MoS2薄膜的表面形貌、X-射线衍射图和拉曼光谱图；图8是本专利技术实施例利用化学气相沉积方法制备的MoS2薄膜的光吸收谱图；图9是本专利技术实施例提供的MoS2/Si异质结中MoS2薄膜表面的电流－电压特征曲线图；图10、图11和图12分别是本专利技术实施例提供的石墨烯薄膜的表面原子力显微镜照片、拉曼光谱和紫外-可见光透射谱；图13是本专利技术实施例提供的石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池无光照的暗电流－电压特征曲线图；图14是在100mW白光照射下本专利技术实施例提供的石墨烯/MoS2/Si太阳能电池的电压－电流特征曲线图；图15是在100mW白光照射下本专利技术实施例提供的石墨烯/MoS2/Si太阳能电池的响应曲线图；图中，1、石墨烯电极；2、p-MoS2薄膜层；3、n-Si导电层；4、Al电极。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步的阐述。实施例1参见附图1，它是本实施例提供的石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池的结构示意图，它包括石墨烯电极1、p-MoS2薄膜层2、n-Si层3和Al电极4；图1中，石墨烯电极为该太阳能电池的阳极，p-MoS2和n-Si层构成的pn结为该太阳能电池光电转换的核心单元，Al电极为该太阳能电池的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种石墨烯/MoS2/Si?异质结薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）衬底清洗：以n?Si?(111)片为衬底，用稀HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管进行沉积处理；石英管的真空度为10?2?Pa,?加热到300℃维持10分钟，以去除硅片表面的水汽；?（2）MoS2薄膜制备：将石英管加热到500～600℃，用氩气作为携载气体，通入以稀硫酸为溶剂的MoS2溶液，在所述的MoS2溶液中加入Al(NO3)3溶液，以Al(NO3)3作为Al掺杂剂对MoS2进行p型掺杂，按质量比，MoS2：Al(NO3)3为?1:20～1:50?；气携载MoS2和Al(NO3)3?进入石英管在n?Si?(111)片进行吸附、成核和生长5～10分钟后，将石英管升温到950℃进行退火处理，退火时间为20～40分钟，得到MoS2/Si?pn结；（3）将石英管温度维持在950℃，甲烷分解为碳原子和氢气，在氩气10～30?sccm流量的气相输运作用下碳原子到达已形成的MoS2/Si?pn结的MoS2表面并被吸附到表面，在衬底表面迁移后在衬底表面成核，再通过范德瓦尔斯吸引力吸引其它碳原子，并与成键的碳原子形成六角网状结构的石墨烯薄膜；（4）对n?Si?(111)片的下表面蒸镀铝电极，形成太阳能电池的阴极，得到一种石墨烯/MoS2/Si异质结太阳能电池。...
【技术特征摘要】
1.一种石墨烯/MoS2/Si异质结薄膜太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）衬底清洗：以n-Si(111)片为衬底，用稀HF酸浸泡去除Si表面的二氧化硅，再依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗，去除硅片上的有机物，用氮气吹干，放入石英管进行沉积处理；石英管的真空度为10-2Pa,加热到300℃维持10分钟，以去除硅片表面的水汽；（2）MoS2薄膜制备：将石英管加热到500～600℃，用氩气作为携载气体，通入以稀硫酸为溶剂的MoS2溶液，在所述的MoS2溶液中加入Al(NO3)3溶液，以Al(NO3)3作为Al掺杂剂对MoS2进行p型掺杂，按质量比，MoS2：Al(NO3)3为1:20～1:50；气携载MoS2和Al(N...
【专利技术属性】
技术研发人员：马锡英，
申请(专利权)人：苏州科技学院，
类型：发明
国别省市：
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