一种MoS2/Sip‑n结太阳能电池器件及其制备方法与流程

一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件及其制备方法技术领域本发明属于新能源太阳能光伏领域，具体地说是涉及了一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件，以及基于磁控溅射技术制备MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的方法。

背景技术：
进入二十一世纪以来，随着社会发展和人们生活水平的提高，人们对能源的需求急剧增加。传统化石能源的日益枯竭以及对环境造成的破坏逐渐显现，迫使各国将新能源的开发和利用作为国家未来能源发展战略。太阳能是新能源中最普遍，也是较早被人们使用的，并且具有与电力技术兼容性好，安全性高等优点。太阳能电池是一种常见的将太阳能转换为电能的器件。目前光伏市场上80％是晶体硅太阳能电池，晶体硅太阳能电池转换效率达到了24.7％，接近理论数值30％。但是生产过程能耗高，成本高，对环境污染大，严重阻碍了晶体硅太阳能电池大规模的推广应用。其次，碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳能电池也在光伏市场上占据很大比重。美国第一太阳能电池公司的碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池的光电转换效率都达到了11％以上，但是碲化镉中，碲是地球上的稀有元素，同时，碲化镉薄膜太阳能电池中重金属镉，在工业生产中会对环境造成污染。铜铟镓硒薄膜太阳能电池制备流程复杂，成本高，不良品率高，电池预置层硒化技术使用的H2Se气体，有剧毒，易挥发。这些不利条件都限制了这类化合物在太阳能电池领域的大规模应用。在薄膜型太阳电池研究中，染料敏化纳米薄膜太阳电池制备成本比较低，目前这种电池的实验室最高效率达到12％。但由于液体电解质的存在，这种电池的稳定性较差。因此，寻找一种绿色环保，成本低，高效，稳定，工艺简单的太阳能电池已成为当前热门课题。目前各种新型半导体材料被应用于新型薄膜太阳能电池的研制，其中半导体MoS2在光伏领域表现出的优良性能引起了广泛关注。MoS2是一种过渡金属硫化物，化学性质稳定，热稳定性能好。因此，MoS2作为一种新型二维层状纳米材料被广泛应用于物理、材料、化学等领域。层状的MoS2在纳米尺度上具有二维结构，这比纳米硅材料的三维体相结构更容易实现半导体的微型化和高能效电子芯片。例如：单层MoS2的晶体管已经被证实开关比率达到了108，并且能耗较低。相对于石墨烯的零能带隙，二硫化钼存在着可调控的能带隙(MoS2的禁带宽度1.2～1.8eV)，因此在制备光电器件领域存在着广阔领域。Tsai等人提出了利用化学沉积方法得到的单层MoS2与p-Si形成了P-N结，实验结果表明，此结构的太阳能电池器件的转换效率达到了5.23％，是该结构的过渡金属硫化物太阳能电池中达到的最高转换效率。但是，单层MoS2在光吸收和电子转移方面都存在缺陷。Shanmugam等人提出了在ITO玻璃上沉积的多层MoS2与金属金(Au)形成肖特基结，该结构的太阳能电池的光电换效率达到了1.8％，但是，该制备工艺过程复杂，表面缺陷多，不良产品率高。相比较而言，MoS2薄膜太阳能电池制备工艺简单，容易大面积生长，制备和使用过程中无毒害物质产生。同时，以薄膜型态，有利于将MoS2材料与传统半导体Si进行叠加集成，非常适合大规模的工业生产。

技术实现要素：
基于上述技术问题，本发明提供一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件，以及该MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的制备方法。本发明所采用的技术解决方案是：一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件，包括MoS2薄膜层、作为MoS2薄膜层载体的Si衬底、金属Pd电极及金属In电极，MoS2薄膜层设置在Si衬底一面，金属Pd电极设置在MoS2薄膜层表面，金属In电极设置在Si衬底另一面，金属Pd电极与金属In电极分别连接金属Cu导线。优选的，所述MoS2薄膜层厚度为70-80nm。优选的，所述Si衬底为p型Si单晶衬底，电阻率为1.2～1.8Ω·cm。优选的，所述金属Pd电极的厚度为30-40nm，所述金属In电极的厚度为0.2mm，所述Cu导线的直径为0.1mm。一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：(1)选取Si衬底，对其进行第一次清洗，然后采用化学腐蚀方法去除清洗后Si衬底表面氧化层，再对去除表面氧化层的Si衬底进行第二次清洗，清洗完成后对Si衬底进行干燥；(2)将干燥后的Si衬底装入托盘并放入真空腔，在Ar气气体环境下，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击MoS2靶材，在Si衬底表面沉积MoS2薄膜层；(3)再在真空腔及Ar气气体环境下，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在MoS2薄膜层表面沉积金属Pd电极；(4)采用热压方式，在Si衬底背面完成金属In电极的压制；(5)分别在金属Pd电极与金属In电极上引出金属Cu导线，完成MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的制备。优选的，步骤(1)中，所述Si衬底为p型Si单晶衬底，尺寸为10×10mm，电阻率为1.2～1.8Ω·cm；所述第一次清洗过程如下：将带有氧化层的Si衬底在高纯酒精中超声清洗600s；所述Si衬底表面氧化层的去除过程如下：将带有氧化层的Si衬底放入体积分数为4％的氢氟酸溶液中，并超声清洗60s；所述第二次清洗过程如下：将Si衬底依次在高纯酒精和丙酮溶液中交替超声清洗3次，每次清洗的时间长度为180s；所述Si衬底干燥过程是用干燥氮气将Si衬底吹干，氮气纯度为99.95％。优选的，步骤(2)中，所述MoS2靶材为MoS2陶瓷靶，靶材纯度为99.9％，所述Ar气气压维持0.3Pa不变，靶基距为50mm，薄膜层的沉积温度为380℃，薄膜层厚度为70-80nm。优选的，步骤(3)中，所述Pd靶材为Pd金属靶，靶材纯度为99.99％，所述Ar气气压维持3Pa不变，靶基距为50mm，薄膜层的沉积温度为20-25℃，金属Pd电极厚度为30-40nm。优选的，步骤(2)与步骤(3)中，所述真空腔的背底真空度均为5×10-4Pa，真空条件是由机械泵和分子泵双级真空泵共同制得。优选的，步骤(4)中，所述金属In电极的厚度为0.2mm。与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：本发明通过在p-Si衬底表面沉积MoS2薄膜，形成p-n结，利用该p-n结具有的光伏效应，研制出了一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件。测试结果显示：在功率为15mW/cm2光照条件下，所制备的MoS2/Sip-n结太阳能电池具有明显的光伏性能，短路电流3.16mA/cm2，开路电压0.13V，填充因子0.46，光电转换效率1.3％。同时，该MoS2/Sip-n结太阳能电池具有响应时间快，可重复性高，较弱的光致衰减效应，成本低廉，性能稳定等优点，而且制备方法简单，能耗低，绿色环保。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：图1为所制备MoS2/Sip-n结的Raman光谱图。图2为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件性能测量的结构示意图。图3为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的光伏性能曲线。图4为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件短路电流随光照条件的响应性能。图5为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件开路电压随光照条件的响应性能。具体实施方式本发明利用直流磁控溅射技术，在p-Si半导体衬底上沉积MoS2薄膜层，形成p-n结。当有光照时，在内建电场的作用下，光生载流子发生扩散和漂移，最终p-n结两端形成一个稳定的光生电压，即光伏效应。下面对MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的结构及制备方法进行详细说明。一种MoS2/Sip-n结太阳能电池器件，包括MoS2薄膜层、作为MoS2薄膜层载体的Si衬底、金属Pd前电极及金属In背电极。MoS2薄膜层设置在Si衬底表面，MoS2薄膜层厚度为70-80nm，Si衬底为p型Si单晶衬底，电阻率为1.2～1.8Ω·cm。金属Pd前电极设置在MoS2薄膜层表面，金属In背电极设置在Si衬底背面。金属Pd前电极与金属In背电极分别连接金属Cu导线。金属Pd前电极的厚度为30-40nm，金属In背电极的厚度为0.2mm，Cu导线的直径为0.1mm。上述MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：(1)选取p型Si单晶衬底，尺寸为10×10mm，电阻率为1.2～1.8Ω·cm，对其进行第一次清洗，然后采用化学腐蚀方法去除清洗后Si衬底表面氧化层，再对去除表面氧化层的Si衬底进行第二次清洗，清洗完成后对Si衬底进行干燥。(2)将干燥后的Si衬底装入托盘并放入真空腔，真空腔的背底真空度为5×10-4Pa，在Ar气气体环境下，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击MoS2靶材，在Si衬底表面沉积MoS2薄膜层。所述MoS2靶材为MoS2陶瓷靶，靶材纯度为99.9％，所述Ar气气压维持0.3Pa不变，靶基距为50mm，薄膜层的沉积温度为380℃，薄膜层厚度为70-80nm。(3)再在真空腔及Ar气气体环境下，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在MoS2薄膜层表面沉积金属Pd前电极。所述真空腔的背底真空度为5×10-4Pa，所述Pd靶材为Pd金属靶，靶材纯度为99.99％，所述Ar气气压维持3Pa不变，靶基距为50mm，薄膜层的沉积温度为20-25℃，金属Pd前电极厚度为30-40nm。(4)采用热压方式，在Si衬底背面完成金属In背电极的压制。所述金属In背电极的厚度为0.2mm。(5)分别在金属Pd前电极与金属In背电极上引出直径为0.1mm的金属Cu导线，完成MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的制备。步骤(1)中，所述第一次清洗过程如下：将带有氧化层的Si衬底在高纯酒精中超声清洗600s；所述Si衬底表面氧化层的去除过程如下：将带有氧化层的Si衬底放入体积分数为4％的氢氟酸溶液中，并超声清洗60s；所述第二次清洗过程如下：将Si衬底依次在高纯酒精和丙酮溶液中交替超声清洗3次，每次清洗的时间长度为180s；所述Si衬底干燥过程是用干燥氮气将Si衬底吹干，氮气纯度为99.95％。步骤(2)与步骤(3)中，所述真空条件是由机械泵和分子泵双级真空泵共同制得。下面结合性能测量结果进一步说明本发明的效果：图1为MoS2/Sip-n结的Raman光谱图。图中拉曼位移373cm-1和410cm-1散射峰为MoS2薄膜的特征峰，分别对应面内振动模式(E12g)和面外振动模式(A1g)。拉曼位移520cm-1为Si衬底的散射峰。图2为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件性能测量的结构示意图。在性能测试过程中，定义电流的正方向为由金属In背电极流向金属Pd前电极。图3为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的光伏性能曲线。两条曲线分别代表黑暗和15mW/cm2光照条件下的伏安特性曲线。如图所示，所制备的MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的I-V曲线表现出明显的不对称特征，这主要是因为MoS2薄膜与Si衬底形成的p-n结具有良好的整流特性。在15mW/cm2光照条件下，该MoS2/Sip-n结太阳能电池器件表现出良好的光伏特性：开路电压0.13V，短路电流密度3.16mA/cm2，并且该MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的填充因子为0.46，转换效率达到了1.3％。目前国内外尚未有在该结构下MoS2/Sip-n结太阳能电池器件的报道。图4为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件短路电流随光照条件的响应性能。测试电压为0V。如图所示，通过改变其所处的光照条件，所制备MoS2/Sip-n结太阳能电池器件，在光照条件，电流迅速增加到3.16mA/cm2，在黑暗条件，电流迅速减小。图5为MoS2/Sip-n结太阳能电池器件开路电压随光照条件的响应性能。测试电压为0V。如图所示，通过改变其所处的光照条件，所制备MoS2/Sip-n结太阳能电池器件表现出良好的光响应性能，具有响应速度快、状态稳定、重复性高等优点。