[发明专利]一种基于化学修饰的黑磷材料太阳能电池及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于化学修饰的黑磷材料太阳能电池及制备方法，该电池包括衬底、缓冲层、下电极、掺氧黑磷、掺镍黑磷和上电极；其制备方法如下：1)清洗硅衬底后，在其表面生长得到缓冲层；2)在缓冲层上表面沉积指定厚度的掺镍黑磷，得到掺镍黑磷薄层；3)在掺镍黑磷薄层上表面沉积指定厚度的掺氧黑磷，得到掺氧黑磷薄层；4)在掺镍黑磷薄层上蒸镀金属层得到下电极，在掺氧黑磷薄层上蒸镀金属层得到上电极(6)，得到所述的基于化学修饰的黑磷材料的太阳能电池。本发明以掺氧黑磷和掺镍黑磷构成Ⅰ型半导体异质结，以掺氧黑磷为给体，以掺镍黑磷为受体，二者容易达到晶格匹配，基于该材料的器件稳定性强，不易发生退化，且制备工艺简单。

技术领域

本发明涉及一种基于化学修饰的黑磷材料太阳能电池及制备方法，属于太阳能电池及制备领域。

背景技术

煤炭、石油等不可再生能源的短缺及其使用过程中带来的环境污染，使能源和环境问题成为制约国际社会经济发展的瓶颈；越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发利用太阳能资源，寻求经济发展的新动力；研制太阳能电池，实现光能到电能的转化，成为目前极具发展前景的研究方向之一。太阳能电池是指通过光电效应或者光化学效应直接把光能转换成电能的装置；而传统的基于同质PN结技术的硅基太阳能电池表现出成本高、效率低且污染环境等缺点，表面修饰技术的引入成为解决该问题的一个关键途径，表面修饰后的结构吸收光谱范围广，有利于效率的提高，并且能减少材料消耗，降低成本等。

具有原子层厚度的2D材料由于其不同于体材料的优越性质而受到人们的广泛研究，如石墨烯、MoS₂等等。近年来，一种新的2D材料少层黑磷已经能在实验条件下通过机械剥离的方法制备得到并且受到了人们的广泛关注。黑磷是一种具有金属光泽的晶体，可由白磷或红磷转化而来，黑磷具有直接半导体带隙，且表现出与层数相关的特性，具有非常高的漏电流调制率，使得其在未来的纳米电子器件中的应用有很大潜力；另外因其为直接带隙，其光学性质相比其他材料也有很大的优势，是目前新型二维材料研究的热点之一。

尽管黑磷在诸多方面表现出良好的应用潜力，但是它存在着一个致命缺陷：稳定性差，在空气中容易被氧化，并且随着黑磷层数的减少，稳定性越来越差。因此如何解决黑磷易被氧化的问题，维持其结构和性能的稳定性，成为影响黑磷发展的关键问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于化学修饰的黑磷材料太阳能电池及制备方法，本发明采用化学修饰的方法掺杂黑磷，能够显著地提高黑磷的稳定性，即使暴露在空气中，也至少能维持一个月，性能有效提升。

技术方案：本发明提供了一种基于化学修饰的黑磷材料的太阳能电池，该太阳能电池包括硅衬底、缓冲层、下电极、掺镍黑磷薄层、掺氧黑磷薄层和上电极，其中硅衬底为最底层，在其上表面生长有缓冲层，在缓冲层上表面形成有掺镍黑磷薄层；在掺镍黑磷薄层上表面形成有掺氧黑磷薄层，并在掺镍黑磷薄层上表面蒸镀金属层得到下电极，且掺氧黑磷薄层和下电极不接触；在掺氧黑磷薄层上表面蒸镀金属层，得到上电极。

其中：

所述的缓冲层为非晶二氧化硅保护层，其厚度为100～200nm。

所述的掺镍黑磷薄层中的掺镍黑磷为n型，掺氧黑磷薄层中的掺氧黑磷为p型，二者共同构成Ⅰ型半导体异质结，以掺氧黑磷为给体，其能带间隙为0.95eV，能吸收的光谱范围较广，以掺镍黑磷为受体。

所述的掺镍黑磷薄层和掺氧黑磷薄层的厚度均为30～50nm。

所述的掺镍黑磷薄层中，镍与黑磷的原子个数比为35～45：100；掺氧黑磷薄层中，氧与黑磷的原子个数比为35～45：100。

所述的下电极和上电极金属层均为均匀的、纯度大于95wt％的铝层。

本发明还提供了一种基于化学修饰的黑磷材料的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：