[发明专利]一种二维异质结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源技术领域，涉及太阳能电池的制备，具体是一种二维异质结太阳能电池及其制备方法。

背景技术

最近，单层二维原子尺度纳米材料的研究引起了人们的极大兴趣。众所周知，石墨烯是目前研究的最多的单层二维纳米材料，石墨烯独特的二维蜂窝状结构使其具有许多优异的物理、化学和力学等性能，因此具有重要的科学研究意义和广泛的应用前景。石墨烯具有极高的比表面积、高的导电和导热性能、高的电荷迁移率，优异的力学性能，因此作为微纳米电子器件、新能源电池的电极材料、固体润滑剂和新型的催化剂载体具有广泛的应用前景。石墨烯的发现及其应用研究激发了人们对其它无机单层二维纳米材料的研究兴趣，如具有单层结构的二维过渡金属硫化物(NbSe₂，MoS₂，WS₂和TaS₂等)。

二维过渡金属硫化物具有类似三明治的层状结构，每层由三个原子面组成，即过渡金属元素的原子面被夹在两个硫族元素的原子面之间。每一层内部的原子面之间有强烈的共价键，在相邻的两层间有强烈的范德华键。许多这种材料，比如NbSe₂，MoS₂，WS₂和TaS₂，结构相似，但是电性能从半导体到金属变化，这主要依赖于材料的成分、电子密度、几何形状和厚度。

二维过渡金属硫化物最传统的应用是固态润滑剂和工业用的表面防腐剂，此外，由于二维过渡金属硫化物具有大的光吸收(在可见光区大于10⁷m^-1，意味着95％的光可被300nm的薄膜吸收)，而且在可见光范围内有好的化学稳定性和宽带隙优点，这类材料长期以来被认为是良好的光伏器件材料，以期解决目前太阳能电池效率较低、生产成本较高的技术问题。早期有平面MoS₂和WS₂用作光伏材料的研究，然而，由于二维过渡金属硫化物内部不能形成pn结来分离入射光子产生的电子-空穴对，而使其光电流不高，因此相关的研究也没有得到深入的进行；现有技术中也缺乏如何将二维过渡金属硫化物用于太阳能电池的相关技术。因此如何利用二维过渡金属硫化物制成一种光电转换效率高、生产成本低的太阳能电池成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明为解决目前太阳能电池结构复杂、高成本和效率不高的技术问题，提供一种二维异质结太阳能电池及其制备方法。

本发明所述的一种二维异质结太阳能电池，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、下电极、二维过渡金属硫化物薄膜和石墨烯透明电极，石墨烯透明电极的上表面设有上电极，上电极占石墨烯透明电极表面积的百分之十。

过渡金属硫化物的功函数随过渡金属种类以及过渡金属硫化物层数的改变而改变，单层WS₂的功函数约4.6eV，MoS₂的功函数约5.1eV；块体WS₂的功函数约4.2eV，MoS₂的功函数约4.5eV，这和石墨烯的功函数相当，因此石墨烯对过渡金属硫化物层的能带结构影响很小，而且石墨烯的狄拉克点位于带隙的内部，促进了来自过渡金属硫化物内部的电子和空穴的分离。因此将石墨烯与过渡金属硫化物复合形成的二维异质结材料可以克服二维过渡金属硫化物光电流不高的缺点，使其在光伏领域有很好的应用，制得的太阳能电池有望获得高的光电转化效率。

图1中，石墨烯薄膜作为该太阳能电池的电极，过渡金属硫化物层为该太阳能电池光电转换的核心单元-活性层。在本发明中，石墨烯薄膜与过渡金属硫化物薄膜的接触界面是石墨烯太阳能电池的核心区域，在光照下能够发生光伏效应，其原因如下：当石墨烯薄膜与二维过渡金属硫化物的表面接触，由于两者能带结构不同，从而导致界面处能带发生弯曲，使得石墨烯薄膜与过渡金属硫化物薄膜间的电荷发生移动，最后达到平衡状态。在平衡状态产生石墨烯薄膜与过渡金属硫化物薄膜界面处能带的弯曲与常见的pn结能带弯曲具有相似的特性，在接近过渡金属硫化物的表面形成耗尽层。由于石墨烯薄膜具有高透光性，且石墨烯薄膜的电阻率很小，若給予光照，就会产生光电流，进而产生光伏效应，形成太阳能电池。

本发明所述的一种二维异质结太阳能电池的制备方法采用以下技术方案实现的：一种二维异质结太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：a、高透过率、高导电性石墨烯的制备：