[发明专利]一种二维异质结太阳能电池及其制备方法

权利要求书

1.一种二维异质结太阳能电池，其特征在于，至少包括一个石墨烯太阳能电池结构单元；所述石墨烯太阳能电池结构单元包括由下而上顺次层叠排列的衬底(1)、下电极(2)、二维过渡金属硫化物薄膜(3)和石墨烯透明电极(4)，石墨烯透明电极(4)的上表面设有上电极(5)，上电极(5)占石墨烯透明电极(4)表面积的百分之十。

2.根据权利要求1所述的一种二维异质结太阳能电池，其特征在于，所述二维过渡金属硫化物薄膜(3)为MoS₂薄膜或WS₂薄膜，厚度为5～50nm。

3.根据权利要求1或2所述的一种二维异质结太阳能电池，其特征在于，所述衬底(1)为柔性衬底或硬质衬底；柔性衬底为PET衬底或PE衬底，硬质衬底为Si或SiO₂或玻璃或塑料。

4.根据权利要求1或2所述的一种二维异质结太阳能电池，其特征在于，二维异质结太阳能电池可由多个所述石墨烯太阳能电池结构单元构成串联结构、并联结构或串并联混合结构。

5.根据权利要求1或2所述的一种二维异质结太阳能电池，其特征在于，所述下电极(2)是由石墨烯薄膜和位于石墨烯薄膜上表面的金属薄膜电极组成，金属薄膜占石墨烯薄膜表面积的百分之十；上电极(5)为金属薄膜电极，金属材料为Au、Ti、Ni、Pt、Al、Fe等中的一种或任意几种合金以任意比例组合制成。

6.一种制备如权利要求1所述二维异质结太阳能电池的方法，其特征在于，包括如下步骤：a、高透过率、高导电性石墨烯的制备：

(1)采用常压化学气相沉积法在厚度为50μm的Cu箔上生长均匀的石墨烯薄膜；

(2)将生长有石墨烯薄膜的Cu箔放在匀胶机上，在生长有石墨烯薄膜的Cu箔上表面滴涂聚甲基丙烯酸甲酯即PMMA有机溶剂，启动匀胶机，转速4000rpm，使PMMA均匀包覆Cu箔上表面，再将Cu箔放在温度为150-200℃的加热台上2-5min，烘干PMMA溶剂；

(3)将上述旋涂有PMMA溶剂的Cu箔放入浓度为0.5M的FeCl₃溶液中腐蚀，去除Cu基体；

(4)用Si/SiO₂基板将石墨烯薄膜捞起放入去离子水中漂洗10-20min，同样的漂洗过程重复2-3次，再用Si/SiO₂基板捞起漂浮于去离子水中的石墨烯薄膜，并将该转移有石墨烯薄膜的基板放在温度为50-60℃的加热台上烘干1-3h，去除石墨烯薄膜与Si/SiO₂基板结合界面处的水分，再将加热台温度升高到150-200℃，保持1-3h，使二者牢固结合；

(5)将烘干的转移有石墨烯薄膜的Si/SiO₂基板放入管式炉中，在400℃温度下退火30min，去除表面的PMMA，从而得到转移到Si/SiO₂上的石墨烯；

b、二维过渡金属硫化物薄膜的制备：

二维过渡金属硫化物是通过将过渡金属氧化物硫化的方法制得；

(1)在低压即10^-5-10^-6Torr物理气相沉积腔室中，热蒸发过渡金属氧化物粉末，获得沉积在Si/SiO₂表面的一薄层过渡金属氧化物薄膜；

(2)过渡金属氧化物薄膜硫化过程是通过常压化学气相沉积法实现的；将沉积有过渡金属氧化物薄膜的Si/SiO₂基板放在石英管中，在上游200-250℃低温区放置盛有500mg纯度99.5％的S粉的石英舟，用以产生S蒸汽，再在石英管中通入100-500sccm Ar保护气体，并将炉温升高到700-900℃，保温30min，进行硫化反应；硫化过程中，过渡金属氧化物薄膜转变成二维过渡金属硫化物薄膜；

(3)通过化学方法对二维过渡金属硫化物进行转移；将生长有二维过渡金属硫化物的Si/SiO₂基板放在匀胶机上，在二维过渡金属硫化物表面滴涂PMMA溶剂，启动匀胶机，使其以4000rpm的转速在表面涂敷一薄层2μmPMMA，再在室温下放置10h，使PMMA充分干燥；

(4)将上述涂有PMMA的Si/SiO₂基板浸在浓度为15M的KOH溶液中腐蚀去除Si/SiO₂；

(5)用玻璃片将表面覆盖有PMMA的二维过渡金属硫化物捞起放在去离子水中清洗10-20min，同样的漂洗过程重复2-3次，再用上述转移到Si/SiO₂上的石墨烯薄膜将二维过渡金属硫化物薄膜捞起并在常压条件下干燥；

(6)将转移到Si/SiO₂上的石墨烯/二维过渡金属硫化物薄膜放入管式炉中，在400℃温度下退火30min，去除表面的PMMA以及石墨烯/二维过渡金属硫化物界面处的污染物，使二者很好的结合；所述的过渡金属氧化物粉末为MoO₃或WO₃，二维过渡金属硫化物为MoS₂或WS₂；

c、将另一部分通过常压化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜进行p型掺杂，掺杂后的石墨烯薄膜与上述石墨烯薄膜上的二维过渡金属硫化物薄膜结合，再将其放入管式炉中，在400℃温度下退火30min，去除石墨烯/二维过渡金属硫化物界面处的污染物，使二者很好的结合，形成石墨烯/过渡金属硫化物薄膜/石墨烯的三明治结构；

d、对下、上石墨烯层分别蒸镀电极，形成太阳能电池的下电极和上电极，得到二维异质结太阳能电池。