一种二维异质结太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明属于新能源【技术领域】，涉及太阳能电池及其制备方法，具体为一种二维异质结太阳能电池及其制备方法。通过常压化学气相沉积法制备石墨烯、二维过渡金属硫化物薄膜，再将两种材料复合，通过金属电极引出，形成二维异质结太阳能电池。本发明具有结构简单、大面积、低成本和高效率的特点，其制备方法简单，制造成本低廉，在新能源【技术领域】具有潜在的应用价值。尤其可以获得柔性太阳能电池，预计比现有的硅太阳能电池具有更加广阔的应用价值。
【专利说明】一种二维异质结太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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（NbSe 2, M〇S2, WS2和TaS2等）。
[0003] 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NbSe 2, M〇S2,吧2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。
[0004] 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KfnT 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M 〇S2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】
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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WS 2的功函数约4. 6eV，MoS2的功函数约5. leV ;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。
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] (1)采用常压化学气相沉积法在厚度为50 μ m的Cu箔上生长均匀的石墨烯薄膜；
[0011] (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°C的加热台上2-5min，烘干PMMA溶剂；
[0012] (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；
[0013] (4)用Si/Si02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/Si0 2基板捞起漂浮于去离子水中的石墨烯薄膜，并将该转移有 石墨烯薄膜的基底放在温度为50-60°C的加热台上烘干l_3h，去除石墨烯薄膜与Si/Si0 2 基板结合界面处的水分，再将加热台温度升高到150-200°C，保持l_3h，使二者牢固结合；
[0014] (5)将烘干的转移有石墨烯薄膜的Si/Si02基板放入管式炉中，在400°C温度下退 火30min，去除表面的PMMA，从而得到转移到Si/Si0 2上的石墨烯；
[0015] b、二维过渡金属硫化物薄膜的制备：
[0016] 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；
[0017] (1)在低压即10_5_10_6T〇rr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/Si0 2表面的一薄层过渡金属氧化物薄膜；
[0018] (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/Si0 2基板放在石英管中，在上游200-250°C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°C，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；
[0019] (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/Si02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2 μ mPMMA，再在室温下放置10h，使PMMA充分干 燥；
[0020] (4)将上述涂有PMMA的Si/Si02基板浸在浓度为15M的Κ0Η溶液中腐蚀去除Si/ Si02 ；
[0021] (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/Si0 2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；
[0022] (6)将转移到Si/Si02上的石墨烯/二维过渡金属硫化物薄膜放入管式炉中，在 400°C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M〇0 3或W03，二维过渡金属硫化物为 MoS2 或 WS2 ;
[0023] 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°C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；
[0024] 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。
[0025] 本发明采用简便的常压化学气相沉积法（即APCVD法）制备石墨烯及二维过渡金 属硫化物，用过渡金属硫化物作为活性材料，石墨烯作电极，形成一种新型的石墨烯/过渡 金属硫化物二维异质结太阳能电池；各步骤特别是b、c中用到的各项参数能够保证将石墨 烯薄膜与二维过渡金属硫化物叠在一起形成太阳能电池，每一步采用的退火工艺能保证各 层间界面处污染物最少，结合最好，且具有结构简单、大面积、低成本和效率高的特点；步骤 c中对石墨烯薄膜进行P型掺杂，更有利于二维过渡金属硫化物内部电子和空穴的分离，进 一步增强电子传递和电荷迁移的能力，从而提高电池的效率。该制备方法简单、制作成本低 廉，在新能源【技术领域】具有潜在的应用价值。
[0026] 本发明技术方案的有益效果：由于采用了气体携载S蒸汽对过渡金属氧化物硫化 的APCVD法，能较好控制流量和反应速度，得到超薄的、大面积均匀、表面平整、粗糙度很小 的二维过渡金属硫化物薄膜，从而可以有效减小异质结的界面特性，减小漏电流，提高太阳 能电池的光电转化效率。同时，利用APCVD法可以得到大面积、均匀、透明性和导电性良好 的石墨烯薄膜；并最终获得了光电转换效率高的太阳能电池，预计比现有的硅太阳能电池 具有更加广阔的应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1本发明所述二维异质结太阳能电池结构示意图。图中，1-衬底；2-下电极（石 墨烯与金属层）；3_二维过渡金属硫化物薄膜；4-石墨透明电极；5-上电极。
[0028] 图2本发明提供的石墨烯薄膜以及二维过渡金属硫化物薄膜采用CVD系统装置的 结构示意图。图中，6-管式炉，7-进气口，8-出气口，9-供气系统，10-温度控制系统，11-真 空系统，12-基板。
[0029] 图3CVD法制备石墨烯的拉曼光谱图。
【具体实施方式】
[0030] 实施例1 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：
[0031] (1)采用常压化学气相沉积法在厚度为50 μ m的Cu箔上生长均匀的石墨烯薄膜；
[0032] (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170°C的加热台上3min，烘干PMMA溶剂；
[0033] (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；
[0034] (4)用Si/Si02基板将石墨烯薄膜捞起放入去离子水中漂洗15min，同样的漂洗过 程重复2-3次，再用Si/Si0 2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55°C的加热台上烘干2h，去除石墨烯薄膜与Si/Si0 2基板结合界 面处的水分，再将加热台温度升高到170°C，保持2h，使二者牢固结合；
[0035] (5)将烘干的转移有石墨烯薄膜的Si/Si02基板放入管式炉中，在400°C温度下退 火30min，去除表面的PMMA，从而得到转移到Si/Si0 2上的石墨烯；
[0036] b、二维过渡金属硫化物薄膜的制备：
[0037] 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；
[0038] (1)在低压即KT5-l(T6T〇rr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/Si0 2表面的一薄层过渡金属氧化物薄膜；
[0039] (2)过渡金属氧化物薄膜硫化过程是通过APCVD法实现的；将沉积有过渡金属氧 化物薄膜的Si/Si0 2基板放在石英管中，在上游200°C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30〇SCCm Ar保护气体，并将炉温升高 到800°C，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；
[0040] (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/Si0 2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2 μ mPMMA，再在室温下放置10h，使PMMA充分干 燥；
[0041] (4)将上述涂有PMMA的Si/Si02基板浸在浓度为15M的Κ0Η溶液中腐蚀去除Si/ Si02 ；
[0042] (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15min，同样的漂洗过程重复2-3次，再用上述转移到Si/Si0 2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；
[0043] (6)将转移到Si/Si02上的石墨烯/二维过渡金属硫化物薄膜放入管式炉中，在 400°C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M〇0 3或W03，二维过渡金属硫化物为 MoS2 或 WS2 ;
[0044] 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°C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；
[0045] 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。
[0046] 实施例2 -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：
[0047] (1)采用常压化学气相沉积法在厚度为50 μ m的Cu箔上生长均匀的石墨烯薄膜；
[0048] (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°C的加热台上5min，烘干PMMA溶剂；
[0049] (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；
[0050] (4)用Si/Si02基板将石墨烯薄膜捞起放入去离子水中漂洗20min，同样的漂洗过 程重复2-3次，再用Si/Si0 2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60°C的加热台上烘干lh，去除石墨烯薄膜与Si/Si0 2基板结合界 面处的水分，再将加热台温度升高到200°C，保持lh，使二者牢固结合；
[0051] (5)将烘干的转移有石墨烯薄膜的Si/Si02基板放入管式炉中，在400°C温度下退 火30min，去除表面的PMMA，从而得到转移到Si/Si0 2上的石墨烯；
[0052] b、二维过渡金属硫化物薄膜的制备：
[0053] 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；
[0054] (1)在低压即KT5-l(T6T〇rr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/Si0 2表面的一薄层过渡金属氧化物薄膜；
[0055] (2)过渡金属氧化物薄膜硫化过程是通过APCVD法实现的；将沉积有过渡金属氧 化物薄膜的Si/Si0 2基板放在石英管中，在上游220°C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50〇SCCm Ar保护气体，并将炉温升高 到900°C，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；
[0056] (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/Si0 2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2 μ mPMMA，再在室温下放置10h，使PMMA充分干 燥；
[0057] (4)将上述涂有PMMA的Si/Si02基板浸在浓度为15M的Κ0Η溶液中腐蚀去除Si/ Si02 ；
[0058] (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20min，同样的漂洗过程重复2-3次，再用上述转移到Si/Si0 2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；
[0059] (6)将转移到Si/Si02上的石墨烯/二维过渡金属硫化物薄膜放入管式炉中，在 400°C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M〇03或W03，二维过渡金属硫化物为 MoS2 或 WS2 ;
[0060] 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°C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；
[0061] 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。
[0062] 实施例3 -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：
[0063] (1)采用常压化学气相沉积法在厚度为50 μ m的Cu箔上生长均匀的石墨烯薄膜；
[0064] (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200°C的加热台上2min，烘干PMMA溶剂；
[0065] (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；
[0066] (4)用Si/Si02基板将石墨烯薄膜捞起放入去离子水中漂洗lOmin，同样的漂洗过 程重复2-3次，再用Si/Si0 2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°C的加热台上烘干3h，去除石墨烯薄膜与Si/Si0 2基板结合界 面处的水分，再将加热台温度升高到150°C，保持3h，使二者牢固结合；
[0067] (5)将烘干的转移有石墨烯薄膜的Si/Si02基板放入管式炉中，在400°C温度下退 火30min，去除表面的PMMA，从而得到转移到Si/Si02上的石墨烯；
[0068] b、二维过渡金属硫化物薄膜的制备：
[0069] 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；
[0070] (1)在低压即KT5-l(T6T〇rr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/Si0 2表面的一薄层过渡金属氧化物薄膜；
[0071] (2)过渡金属氧化物薄膜硫化过程是通过APCVD法实现的；将沉积有过渡金属氧 化物薄膜的Si/Si0 2基板放在石英管中，在上游250°C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lOOsccm Ar保护气体，并将炉温升高 到700°C，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；
[0072] (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/Si0 2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2 μ mPMMA，再在室温下放置10h，使PMMA充分干 燥；
[0073] (4)将上述涂有PMMA的Si/Si02基板浸在浓度为15M的Κ0Η溶液中腐蚀去除Si/ Si02 ；
[0074] (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/Si02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；
[0075] (6)将转移到Si/Si02上的石墨烯/二维过渡金属硫化物薄膜放入管式炉中，在 400°C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M〇0 3或W03，二维过渡金属硫化物为 MoS2 或 WS2 ;
[0076] 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°C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；
[0077] 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。
[0078] 下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步的阐述。
[0079] 图2是本发明提供的石墨烯薄膜以及二维过渡金属硫化物薄膜采用的CVD系统装 置的结构示意图。该设备是双温区滑轨炉低真空CVD系统，由设有进气口 7、出气口 8的管 式炉6、真空系统11、供气系统9和温度控制系统10构成，加热温度最高为1200°C，两个温 区采用独立控温的方式，供气系统采用的是气体质量流量计。此套系统可以精确控制石墨 烯生长过程中的气体流量和温度变化，滑轨的设置能够保证生长结束后的快速降温，有利 于高质量单层石墨烯的形成。
[0080] 图3是CVD法制备石墨烯的拉曼光谱图，可以看到，I2D/Ie是2. 5, 2D峰的半高宽为 35cm\这就意味着获得石墨稀为单层。而D峰的强度很弱，表明石墨稀的质量很
[0081] 附图1是本实施例提供的石墨烯/二维过渡金属硫化物/石墨烯异质结太阳能电 池的结构示意图，它包括衬底1，下电极2,二维过渡金属硫化物薄膜3,石墨烯透明电极4和 上电极5,图中，下电极2是由石墨烯和其上面的金属薄膜组成，二维过渡金属硫化物为该 太阳能电池光电转换的核心单元。
[0082] 所述二维过渡金属硫化物薄膜层3为M〇S2层或WS 2层，厚度为5?50nm(可选择 5nm、10nm、20nm、30nm、40nm、50nm)〇
[0083] 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Si02*玻璃或塑料。
[0084] 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。
[0085] 所述下电极2是由石墨烯薄膜和蒸镀在它上面的金属薄膜电极组成，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。
【权利要求】
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M〇S 2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Si0 2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. -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、商透过率、商导电性石墨稀的制备： (1) 采用常压化学气相沉积法在厚度为50 μ m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°C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/Si02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/Si0 2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°C的加热台上烘干l_3h，去除石墨烯薄膜与Si/Si0 2基板 结合界面处的水分，再将加热台温度升高到150-200°C，保持l_3h，使二者牢固结合； (5) 将烘干的转移有石墨烯薄膜的Si/Si02基板放入管式炉中，在400°C温度下退火 30min，去除表面的PMMA，从而得到转移到Si/Si0 2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l(T5-l(T6T〇rr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/Si0 2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/Si02基板放在石英管中，在上游200-250°C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°C，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/Si02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2 μ mPMMA，再在室温下放置10h，使PMMA充分干燥； ⑷将上述涂有PMMA的Si/Si02基板浸在浓度为15M的K0H溶液中腐蚀去除Si/Si02 ; (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/Si0 2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/Si02上的石墨烯/二维过渡金属硫化物薄膜放入管式炉中，在400°C 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M〇0 3或W03，二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°C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。
【文档编号】H01L31/072GK104218114SQ201410433420
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】章海霞, 高向华, 张华 , 许并社, 余春燕, 贾伟, 马琼 申请人:太原理工大学