基于范德华异质结的微纳太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及太阳电池制备技术领域，具体地，涉及基于范德华异质结的微纳太阳电池及其制备方法。

背景技术

近年来，大量研究表明，纳米材料薄膜是一种较为理想的太阳电池材料。通过在宽光谱范围内有效地捕获光子能量，然后快速分离和传输光生载流子，纳米材料能够实现非常高的光电转换效率。实验证明，以黑磷、二硫化钼为代表的二维材料和以碳纳米管为代表的一维材料具有优异的光伏性能。

在获得高质量的光伏材料以后，为了进一步提高太阳电池的吸光性能，就需要设计较为合理的电池结构。其中，将多种不同材料人为构筑成异质结构，就是一种有效的电池主体设计方案。最近，范德华异质结引起了广泛的研究兴趣，它是一种通过将具有不同特性的低维纳米材料，以人为选定的顺序堆叠形成的人工调控“新”材料。研究发现，范德华异质结在光伏应用上具有许多优势：由于该异质结层间为分子间作用力，致使相邻层间不再受晶格必须相匹配的限制；它以二维层状材料为基础搭建，具有非常强的载流子分离能力；超薄的厚度和特殊的二维结构，使其具有很强的光电响应能力。

因此，基于低维纳米材料的人为堆叠范德华异质结构是一种超薄、柔性、高效微纳太阳电池的主体结构设计方案，将有望改善现有微纳太阳电池存在的感光灵敏度低、光吸收能力不足等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于范德华异质结的微纳太阳电池及其制备方法。

根据本发明提供的一种基于范德华异质结的微纳太阳电池，包括底层低阻金属导电电极、黑磷薄膜、碳纳米管薄膜、二硫化钼薄膜以及顶层透明导电电极，底层低阻金属导电电极上设有黑磷薄膜，黑磷薄膜上设有碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜上设有二硫化钼薄膜，二硫化钼薄膜上设有顶层透明导电电极。

优选的，底层低阻金属导电电极选用金属钛材料。

优选的，黑磷薄膜选用p型5-10层直接带隙薄膜样品。

优选的，黑磷薄膜的单层厚度为0.4-0.6nm。

优选的，碳纳米管薄膜由带隙为0.6eV左右的半导体性本征单臂碳纳米管自由搭建而成。

优选的，碳纳米管薄膜的厚度为1.84-1.86μm。

优选的，二硫化钼薄膜选用n型单层直接带隙薄膜样品。

优选的，二硫化钼薄膜的单层厚度为0.8-1.0nm。

优选的，顶层透明导电电极选用掺杂氟的SnO

本发明还提供了一种基于范德华异质结的微纳太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过微加工技术蒸发方法制备底层低阻金属导电电极；

S2、通过微加工技术化学气相沉积法制备黑磷薄膜；

S3、通过微加工技术旋涂法制备碳纳米管薄膜；

S4、通过微加工技术化学气相沉积法制备二硫化钼薄膜；

S5、通过微加工技术溅射方法制备顶层透明导电电极；

S6、借助表面钝化技术和衬底转移技术将底层低阻金属导电电极、黑磷薄膜、碳纳米管薄膜、二硫化钼薄膜以及顶层透明导电电极从下往上依次人工堆叠。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过设计底层钛金属导电电极，能够与半导体纳米材料形成良好的钛/黑磷低阻接触；

2、本发明通过优化纳米薄膜材料的微加工技术、表面钝化技术和衬底转移技术，构建了具有原子级平整、表面洁净等优点的紧密接触薄膜界面，有效提高了该太阳电池中光生载流子在界面处的分离与传输效率；

3、本发明通过调控这三种纳米薄膜材料的带隙，能够确保从下至上三种纳米材料的带隙依次变大来尽可能匹配太阳光谱，有利于该太阳电池宽光谱吸收太阳光；

4、本发明通过选用直接带隙的少层黑磷和单层二硫化钼薄膜材料，增强了半导体纳米材料对光的吸收利用率；

5、本发明选用p型黑磷、i型(本征)碳纳米管和n型二硫化钼作为吸光材料，通过范德华力人为构建的p-i-n范德华异质结增强了太阳电池的内建电场；

6、本发明通过设计顶层FTO透明导电电极，增强了太阳电池的透光性，降低了FTO/二硫化钼接触的电阻率。

7、本发明设计的微纳太阳电池制备方法，具有较高的创新性，有望在超薄、柔性、高效、微能源光伏领域获得扩展应用。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的基于范德华异质结的微纳太阳电池示意图；

图2为在AM1.5G太阳光照射下，微纳太阳电池的电流密度-电压曲线。

图中标号：

底层低阻金属导电电极1、黑磷薄膜2、碳纳米管薄膜3、二硫化钼薄膜4、顶层透明导电电极5。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

根据本发明提供的一种基于范德华异质结的微纳太阳电池，如图1所示，包括底层低阻金属导电电极1、黑磷薄膜2、碳纳米管薄膜3、二硫化钼薄膜4以及顶层透明导电电极5，底层低阻金属导电电极1上设有黑磷薄膜2，黑磷薄膜2上设有碳纳米管薄膜3，碳纳米管薄膜3上设有二硫化钼薄膜4，二硫化钼薄膜4上设有顶层透明导电电极5。

范德华异质结是借助纳米薄膜材料的微加工技术、表面钝化技术和衬底转移技术，通过分子间范德华作用力人为构建的微纳异质结构。底层低阻金属导电电极1选用金属钛材料。黑磷薄膜2选用p型5-10层(单层厚度为0.4-0.6nm)直接带隙薄膜样品。碳纳米管薄膜3(致密化碳纳米管薄膜厚度为1.84-1.86μm)由带隙为0.6eV左右的半导体性本征单臂碳纳米管自由搭建而成。二硫化钼薄膜4选用n型单层(单层厚度为0.8-1.0nm)直接带隙薄膜样品。顶层透明导电电极5选用掺杂氟的SnO

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上完成的，具体的：

基于范德华异质结的微纳太阳电池的主体结构从下往上依次为：底层低阻金属导电电极1、黑磷薄膜2、碳纳米管薄膜3、二硫化钼薄膜4以及顶层透明导电电极5(如图1)。其中，底层低阻金属导电电极1选用金属钛材料，黑磷薄膜2选用p型5-10层(单层厚度约为0.5nm)直接带隙薄膜样品，碳纳米管薄膜3(致密化碳纳米管薄膜厚度约为1.85μm)由带隙为0.6eV左右的半导体性本征单臂碳纳米管自由搭建而成，二硫化钼薄膜4选用n型单层(单层厚度约为0.9nm)直接带隙薄膜样品，顶层透明导电电极5选用掺杂氟的SnO

实施例3

本发明还提供了一种实施例1或2中基于范德华异质结的微纳太阳电池的制备方法，包括如下步骤：

S1、通过微加工技术蒸发方法制备底层低阻金属导电电极；

S2、通过微加工技术化学气相沉积法制备黑磷薄膜；

S3、通过微加工技术旋涂法制备碳纳米管薄膜；

S4、通过微加工技术化学气相沉积法制备二硫化钼薄膜；

S5、通过微加工技术溅射方法制备顶层透明导电电极；

S6、借助表面钝化技术和衬底转移技术将底层低阻金属导电电极、黑磷薄膜、碳纳米管薄膜、二硫化钼薄膜以及顶层透明导电电极从下往上依次人工堆叠。

对比例1

对比例1是在实施例2的基础上，将黑磷薄膜2的层数进行减少，将碳纳米管薄膜3的样品组成(选用不同手性碳纳米管)进行多样化，将二硫化钼薄膜4的层数进行增多，具体的：

基于范德华异质结的微纳太阳电池的主体结构从下往上依次为：底层低阻金属导电电极1、黑磷薄膜2、碳纳米管薄膜3、二硫化钼薄膜4以及顶层透明导电电极5。其中，底层低阻金属导电电极1选用金属钛材料，黑磷薄膜2选用p型1-4层直接带隙薄膜样品，碳纳米管薄膜3由不同手性混合的碳纳米管自由搭建而成，二硫化钼薄膜4选用3-10层间接带隙薄膜样品，顶层透明导电电极5选用掺杂氟的SnO

对比例2

对比例2是在实施例2的基础上，将黑磷薄膜2的层数进行增多，将碳纳米管薄膜3的样品组成(选用单臂/多臂碳纳米管)进行多样化，将二硫化钼薄膜4的层数进行增多，并将顶层透明导电电极5的材料进行改变，具体的：

基于范德华异质结的微纳太阳电池的主体结构从下往上依次为：底层低阻金属导电电极1、黑磷薄膜2、碳纳米管薄膜3、二硫化钼薄膜4以及顶层透明导电电极5。其中，底层低阻金属导电电极1选用金属钛材料，黑磷薄膜2选用p型8-20层直接带隙薄膜样品，碳纳米管薄膜3由单臂/多臂混合的碳纳米管自由搭建而成，二硫化钼薄膜4选用5-16层间接带隙薄膜样品，顶层透明导电电极5选用透明导电玻璃ITO材料。在AM1.5G太阳光照射下，制备的微纳太阳电池的电路电流密度可达9.6mA/cm

对比例3

对比例3是在实施例3的基础上，将黑磷薄膜、碳纳米管薄膜、二硫化钼薄膜的从下往上依次堆叠顺序调整为二硫化钼薄膜、碳纳米管薄膜、黑磷薄膜。

基于范德华异质结的微纳太阳电池的制备方法，包括如下步骤：通过微加工技术蒸发方法制备底层低阻金属导电电极，通过微加工技术化学气相沉积法制备黑磷薄膜，通过微加工技术旋涂法制备碳纳米管薄膜，通过微加工技术化学气相沉积法制备二硫化钼薄膜，通过微加工技术溅射方法制备顶层透明导电电极，借助表面钝化技术和衬底转移技术将底层低阻金属导电电极、二硫化钼薄膜、碳纳米管薄膜、黑磷薄膜以及顶层透明导电电极从下往上依次人工堆叠。在AM1.5G太阳光照射下，制备的微纳太阳电池的电路电流密度可10.2mA/cm

综上所述，本发明通过优化微纳太阳电池的结构设计，并改进纳米薄膜材料的微加工技术、表面钝化技术和衬底转移技术，改善了原有微纳太阳电池存在的感光灵敏度低、光吸收能力不足等问题。结合实施例2、3和对比例1-3的结果，证明了基于范德华异质结的微纳太阳电池的主体结构设计方法具备优异的太阳能电池效率，为后续制备超薄、柔性、高效微纳异质结构光伏器件提供了有用的借鉴。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。