一种基于类黑磷材料的太阳能电池及其制备方法
本发明涉及一种用少层gese堆垛和少层ges堆垛结构实现半导体太阳能电池的方法，属于半导体技术领域。
背景技术：
人类的发展史就是人类对于能量的利用历史。从原始社会的用木材燃烧提供能量，到18世纪发动机和蒸汽机等重型机械的发明，人类利用能源的方式越来越先进。随着人类社会的不断发展和进步，人类对能源的需求日趋增加，太阳能是生活中最常见的能源，更是地球上绝大多数可再生能源的来源，对太阳能的直接利用成为了人们探索的一个课题。
利用和开发太阳能的重要产品之一就是太阳能电池，其利用光生伏特效应，将电池暴露在阳光下的时候，其能吸收转化光子为电子，然后对电子进行输运收集，从而将太阳能转变为了电能。
具有原子层厚度的2d材料因其优越的的性质受到了人们的广泛研究，如石墨烯、mos2、黑磷烯等等。近期，新型的类黑磷烯材料受到了人们的关注。类黑磷材料和黑磷材料具有及其相似的性质，如高电子迁移率和优越的光学性质等等。且类黑磷烯相比于黑磷烯更加稳定。本文通过理论计算，选取2种稳定的类黑磷烯结构即双层gese-ad堆垛和双层旋转ges-ab堆垛。本文通过这2种结构构成ⅱ型半导体异质结来制造半导体太阳能电池。在白光照射下，本文提供的太阳能电池其开路电压理论上达到1.15v，短路电流密度达到299.13a/㎡，太阳能电池的am1.5能量转换效率高达22.44％。
技术实现要素：
技术问题：本发明的目的在于提供一种异质结太阳能电池及其制备方法，使用二维材料gese和ges的不同堆垛结构组成ⅱ型异质结制备太阳能电池，降低制备成本，且具有很高的光电转化效率。
技术方案：一种异质结薄膜太阳能电池，该异质结太阳能电池由下而上包括如下结构：最底层为衬底,第二层为阳极，第三层为双层ad堆垛的gese结构；第四层为双层旋转ab堆垛ges，最上层为阴极。
所述异质结太阳能电池中的双层ad堆垛的gese和双层旋转ab堆垛ges为双层，厚度为
所述异质结材料分别为双层ad堆垛的gese和双层旋转ab堆垛ges，这两种结构都是通过探针剥离法将初始结构进行错位得到得到的。
这里采用的阳极和衬底都为一体化的ito玻璃，阴极为金属层。
一种所述的异质结薄膜太阳能电池的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
a.衬底和电极的制备：采用光刻法在衬底上制备阳极
b.用液相法分别制备gese薄膜和ges薄膜；
c.gese堆垛和ges堆垛制备：
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到双层的ges膜；
2)将1)得到的ges在电子显微镜下，使用探针移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到所要求的双层旋转ges-ab堆垛，最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)经过步骤1)和2)相同的方法制备得到gese-ad堆垛；
d.器件组合：
将c得到的双层gese-ad堆垛通过二维材料转移装置转移到ito电极上方，然后将c得到的双层旋转ges-ab堆垛通过二维材料转移系统堆叠在ges-ad堆叠的上方，最后对得到的器件进行退火处理；
e.制备阴极：将d得到的器件，通过表面蒸镀法在表面蒸镀一层金属膜作为阴极。
衬底和电极的具体制备方法为：采用导电玻璃作为衬底和电极，首先在导电玻璃上涂上均匀的光刻胶，通过光刻技术得到对应电极图形的反图形，然后用刻蚀液腐蚀掉未被保护的部分，最后用丙酮溶液清洗掉多余的光刻胶，将得到的电极结构用酒精和去离子水进行超声清洗，然后用氮气吹干。
用液相法制备ges纳米薄膜，将计量比的锗氯化二噁烷络合物、硫脲、油酰胺0la分别在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理，除去油胺中的空气；随后将反应容器连接到schlenk线，抽真空，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液，反应混合物在氮气流下回流反应；反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，洗涤，真空干燥获得样品。
用液相法制的gese，首先将化学计量比的se粉和油酰胺混合，在空气中轻微磁力搅拌，然后超声去除ola中的空气，把反应容器连接到schlenk线，抽真空以除去体系中的氧气和水份，磁力搅拌下再充入氮气；然后加热，溶液呈透明的棕色时，表明se完全溶解在ola中，向上述溶液中加入异丙醇锗，反应混合物在n2流中回流反应，反应结束冷却至室温，沉淀经离心分离，洗涤真空干燥获得样品。
有益效果：
1.本发明中选取的是二维材料，所述异质结材料分别为双层ad堆垛的gese和双层旋转ab堆垛ges，都为探针法剥离，这类材料的厚度能达到原子级别，这两种材料都为双层结构，厚度很薄，具有良好的透光性和导电性，所以可以将半导体太阳能电池制作的极薄。
2.本发明选用的阳极材料ito可以和功能材料欧姆接触，很好的消除了接触电阻。
3.本发明选用的材料堆叠形成ⅱ型半导体异质结太阳能电池，其具有极高的光电转化效率。所采用的异质结为ⅱ型异质结结构，所谓ⅱ型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：δec(窄带与宽带导带底能量差)和δev(窄带与宽带价带顶能量差)的符号相同；因此本结构就定义为双层gese-ad堆垛的cbm(导带底)在双层旋转gese-ab堆垛的cbm之上，而双层gese-ad堆垛的vbm(价带顶)也在双层旋转gese-ab堆垛vbm之上。ⅱ型能带对准形成的内建电场能有效分离光生电子-空穴对，这对于光能量的收集是有利的。
附图说明：
图1为本发明提供的异质结太阳能电池的结构示意图。其中，衬底1,2为阳极，3为双层ad堆垛的gese结构；4为双层旋转ab堆垛ges，5为阴极。
图2为双层gese-ad堆垛和双层旋转ges-ab堆垛的能带分布图。
具体实施方式
本发明所述异质结薄膜太阳能电池，该异质结太阳能电池由下而上包括如下结构：最底层位玻璃衬底,第二层为导电玻璃电极，第三层为双层ad堆垛的gese结构；第四层为双层旋转ab堆垛ges，最上层为上电极。
本发明所述的异质结薄膜太阳能电池，所述异质结太阳能电池中的双层ad堆垛的gese和双层旋转ab堆垛ges厚度需要做到双层，厚度为
本发明所述的异质结薄膜太阳能电池，所述异质结材料分别为双层ad堆垛的gese和双层旋转ab堆垛ges，这两种结构都是通过探针剥离法得到的；这两种材料都为双层结构，厚度很薄，具有良好的透光性和导电性。
本发明所述的异质结半导体太阳能电池，双层ad型gese堆垛和双层旋转ab型ges堆垛通过探针剥离的方法将初始结构进行错位得到。
本发明所述的异质结薄膜太阳能电池，所采用的异质结为ⅱ型异质结结构，所谓ⅱ型异质结通常定义为该异质结的能带结构表现为：δec(窄带与宽带导带底能量差)和δev(窄带与宽带价带顶能量差)的符号相同；因此本结构就定义为双层gese-ad堆垛的cbm(导带底)在双层旋转gese-ab堆垛的cbm之上，而双层gese-ad堆垛的vbm(价带顶)也在双层旋转gese-ab堆垛vbm之上。ⅱ型能带对准形成的内建电场能有效分离光生电子-空穴对，这对于光能量的收集是有利的。
本发明所述的异质结太阳能电池，这里采用的阳极和衬底衬底可以选用一体化的铟锡氧化物玻璃(ito)、铝锌氧化物玻璃(azo)或铟锌氧化物玻璃(izo)；其能和gese堆垛形成良好的欧姆接触，从而显著提升器件性能。可选地，阴极材料为业界常规选择，如可以使用金属铝。
本发明的异质结半导体太阳能电池的制备方法包括以下步骤：
a.衬底和电极的制备
本发明中采用导电玻璃作为衬底和电极，首先在导电玻璃上涂上均匀的光刻胶，通过光刻技术得到对应电极图形的反图形，然后用刻蚀液腐蚀掉未被保护的部分，最后用丙酮溶液清洗掉多余的光刻胶，将得到的电极结构用酒精和去离子水进行超声清洗，然后用氮气吹干。
b.gese薄膜和ges薄膜的制备
本发明使用液相法制备ges纳米片，将0.2g锗氯化二噁烷络合物、0.4g硫脲、20ml油酰胺0la分别加入到25ml的三颈瓶中，在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理5min，除去油胺中的空气；随后将三颈瓶连接到schlenk线，抽真空30min，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气30min进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热至593k，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液。反应混合物在氮气流中593k温度下回流4h；反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，用去离子水和无水乙醇洗涤多次，在40℃真空干燥4h获得样品。
用类似方法制的gese，首先将0.4gse粉和20ml油酰胺加到25ml三颈瓶中，在空气中轻微磁力搅拌，然后将三颈瓶超声5分钟去除ola中的空气。把三颈瓶连接到schlenk线，抽真空30min以出去体系中的氧气和水份，磁力搅拌下再充入氮气30min；然后加热烧瓶到约120℃，溶液呈透明的棕色时，表明se完全溶解再ola中。向上述溶液中加入120ul异丙醇锗，反应混合物在n2流中320℃回流12h。反应结束冷却至室温，沉淀经离心分离，用去离子水和无水乙醇洗涤多次，在40℃真空干燥4h获得样品。
c.gese堆垛和ges堆垛制备
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到双层的ges膜；
2)将1)得到的ges在电子显微镜下，使用探针移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到我们所要求的双层旋转ges-ab堆垛。最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)经过相同的方法可以制备得到gese-ad堆垛；
d.器件组合
将c得到的双层gese-ad堆垛通过二维材料转移装置转移到ito电极上方，然后将c得到的双层旋转gese-ab堆垛通过二维材料转移系统堆叠在ges-ad堆叠的上方，最后我们对得到的器件进行退火处理。
e.将d得到的器件，通过表面蒸镀金属再其表面蒸镀一层铝膜作为上电极。
图1中，双层ad型gese堆垛和双层旋转ab型ges堆垛组成的异质结为半导体太阳能电池的核心部分，在光照射的情况下，把光能转换为电能。其原因在于：当双层ad型gese与双层旋转ab型ges相接触时，由于两者的能带结构不同，两者导带底cbm和价带顶vbm的排列组成了ⅱ型半导体异质结，在接触界面形成耗尽层，在光照射的情况下，由于光生伏特效应，在异质结的两端会产生电势差，当接通电极两端时就会产生电流。
实施例
a.衬底和电极的制备
本发明中采用ito导电玻璃作为衬底和电极，首先在ito玻璃上涂上均匀的光刻胶，通过光刻技术得到对应电极图形的反图形，然后用ito刻蚀液腐蚀掉未被保护的ito，最后用丙酮溶液清洗掉多余的光刻胶，将得到的电极结构用酒精和去离子水进行超声清洗，然后用氮气吹干。
b.gese薄膜和ges薄膜的制备
本发明使用液相法制备ges纳米片，将0.2g锗氯化二噁烷络合物、0.4g硫脲、20ml油酰胺0la分别加入到25ml的三颈瓶中，在空气中轻微的磁力搅拌；将搅拌后的液体混合物超声处理5min，除去油胺中的空气；随后将三颈瓶连接到schlenk线，抽真空30min，除去水分和氧气；在磁力搅拌下通氮气30min进行惰性气体保护；将处理过后的液体混合物加热至593k，随着温度的升高，液体逐渐变成了黄色透明溶液。反应混合物在氮气流中593k温度下回流4h；反应结束将溶液冷却至室温，沉淀离心分离，用去离子水和无水乙醇洗涤多次，在40℃真空干燥4h获得样品。
用类似方法制的gese，首先将0.4gse粉和20ml油酰胺加到25ml三颈瓶中，在空气中轻微磁力搅拌，然后将三颈瓶超声5分钟去除ola中的空气。把三颈瓶连接到schlenk线，抽真空30min以出去体系中的氧气和水份，磁力搅拌下再充入氮气30min；然后加热烧瓶到约120℃，溶液呈透明的棕色时，表明se完全溶解再ola中。向上述溶液中加入120ul异丙醇锗，反应混合物在n2流中320℃回流12h。反应结束冷却至室温，沉淀经离心分离，用去离子水和无水乙醇洗涤多次，在40℃真空干燥4h获得样品。
c.gese堆垛和ges堆垛制备
1)将上述得到的ges膜，在电子显微镜下，通过探针剥离的方法，剥离得到双层的ges膜；
2)将1)得到的ges在电子显微镜下，使用探针移动层与层间的相对距离或进行层间的旋转变换，得到我们所要求的双层旋转ges-ab堆垛。最后再将二者通过层间的范德瓦尔斯力相互结合形成横向异质结；
3)经过相同的方法可以制备得到gese-ad堆垛；
d.器件组合
将c得到的双层gese-ad堆垛通过二维材料转移装置转移到ito电极上方，然后将c得到的双层旋转gese-ab堆垛通过二维材料转移系统堆叠在ges-ad堆叠的上方，最后我们对得到的器件进行退火处理。
e.将d得到的器件，通过表面蒸镀金属再其表面蒸镀一层铝膜作为上电极。
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