一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法与流程

本发明涉及一种二维半导体光伏器件，具体指一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法。

背景技术：

光伏器件是可以用来将太阳能转化为电能。照射在器件上的光被半导体材料吸收，产生电子空穴对，这些电子空穴对被光伏器件的内建电场分开，分开的电子和空穴在结上产生光电压和光电流。pn结就是典型的光伏器件。

开路电压值(voc)是提高电池效率的关键因素，它显示了当光照射在太阳能电池上时电池中存在电荷载体的数量，可以有效地提升太阳能电池的性能。然而太阳能电池的输出电压通常受到半导体材料入射光强和带隙的限制。为了提高输出电压，可以使用非晶硅等半导体材料制作光伏阵列。这种光伏阵列通过电极将pn结串联在一起，这种工艺通常涉及到光刻、化学刻蚀、激光刻蚀、机械划片等工艺，过程繁琐且工艺复杂。

今年来，二维材料由于具有高的体表面积比、柔性和良好的导电性在光电器件领域显示出巨大的发展潜力。用二维材料制作的pn结光伏器件得到了极大关注。二维材料pn结包括异质结和同质结，其中二维材料异质结结构光伏器件通常是将p型材料和n型材料垂直堆叠在一起，从而形成pn结。目前，文献报道最多的异质结结构是mos2-wse2的pn结，其中单层堆叠的转换功率为0.2％。多层堆叠的功率转换效率为3.4％[chemicalsocietyreviews,2018,47(9):3339]。除了mos2-wse2的pn结外，由于二维材料p型和n型具有多样性，还出现了各种各样的二维异质结构。但是由于两层材料的电荷转移过程中载流子重组，二维材料异质结结构的开路电压比组成异质结的二维材料小得多，一般不超过0.3ev，极少数可以达到0.5ev。而与异质结相比，二维材料同质结的开路电压通常比较大，但是由于空间电荷区相对较小，功率转换效率较低。目前制备二维材料同质结的方法有静电掺杂、元素掺杂、化学掺杂等。这些方法工艺较为复杂，掺杂水平通常难以控制。

以上这些方法构建的二维材料pn结都是单一的pn结。因此，本发明利用铁电材料所产生的强局域场来调控二维材料，使得同一块二维材料上出现连续的“p区n区p区n区”，从而构成串联的二维材料pn结光伏太阳能电池，最终实现了倍增开路电压的作用。这一发明推进了二维材料在太阳能电池方面的应用。

技术实现要素：

本发明提出了一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法，实现了二维半导体串联光伏电池的应用。

上述发明将铁电材料引入过渡金属硫族化合物二维半导体光伏器件，该光伏器件结构基于铁电场效应，利用铁电极化形成的局域电场，调节二维材料的载流子浓度，使得同一块二维材料上形成面内pnpn结。

本发明指一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法，其特征在于，器件结构自上而下依次为：

-铁电功能层1，

-金属电极2，

-双极性过渡金属化合物二维半导体3，

-绝缘硅衬底4。

其中铁电功能层1为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为60纳米；

其中金属电极2为铬覆盖在双极性过渡金属化合物二维半导体上，金覆盖在铬上面的形状为立方体的3个金属电极，分别设置在双极性过渡金属化合物二维半导体(3)的两端及中间，铬厚度为15纳米，金厚度为25纳米；

其中双极性过渡金属化合物二维半导体3为双极性过渡金属化合物mote2，厚度8-12纳米；

其中绝缘硅衬底4表面覆盖有285纳米厚的二氧化硅的硅衬底。

本发明指一种铁电畴调控的mote2面内pnpn结及制备方法，器件制备包括以下步骤：

1)绝缘硅衬底准备

绝缘硅衬底为表面覆盖有厚度为285纳米的二氧化硅的硅衬底。

2)双极性过渡金属化合物二维半导体制备及转移

采用机械剥离法将双极性过渡金属化合物二维半导体mote2转移至绝缘硅衬底上。

3)金属电极制备

采用紫外光刻或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺制备金属电极3。电极由铬和金组成，铬厚度为15纳米，金厚度为25纳米。制备的3个金属电极分别位于双极性过渡金属化合物二维半导体(3)的两端及中间，形成左右两个平行的沟道。

4)铁电功能层的制备

在制备好的器件上运用旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在130℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性，聚偏氟乙烯基铁电功能层薄膜的厚度为60纳米。

5)利用压电力显微镜极化铁电功能层

压电力显微镜即是在原子力显微镜基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，压电力显微镜的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于压电力显微镜探针与样品电极之间，利用压电力显微镜微悬臂背面所反射的激光束来监测电致形变量。此发明正是利用压电力显微镜针尖施加在样品上的电压来极化p(vdf-trfe)。对于60纳米p(vdf-trfe)，扫描电压和扫描频率分别控制为±25v，1.5hz最较合适。扫描过程中，材料左数第一个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料；同理，材料左数第二个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内pnpn结。

本发明专利的优点在于：利用极化方向相反的铁电材料所产生的强局域场调控二维材料内部载流子形成面内pnpn结，开路电压数值实现倍增。不同于传统背栅场管器件需外加栅压来调节二维材料费米能级从而形成电子或者空穴注入，本发明通过压电力显微镜针尖极化铁电材料，使其两端的极化一边向上，一边向下，利用铁电材料剩余极化形成的强局域场在同一块二维材料上实现面内pnpn结，铁电材料的剩余极化能稳定保持，工作时无需加外加栅压，降低能耗。且铁电畴的空间宽度在10纳米以内，摆脱了栅电极的空间尺寸限制。另外，二维半导体pnpn结的实现往往需要四种材料叠加在一起，这个过程伴随着转移，去胶等繁琐的工艺过程，可能导致器件的性能退化。利用铁电材料可在同一块二维材料上实现面内pnpn结，可以避免这些过程污染材料。

附图说明

三种实施案例中不同双极性过渡金属硫族化合物二维半导体mote2的厚度不影响最后的测试，其测试数据基本一致。

图1为铁电畴调控的mote2串联面内pn结的工作状态示意图。

图中：1铁电功能层、2金属电极、3双极性过渡金属硫族化合物二维半导体mote2、4绝缘硅衬底、5在铁电功能层表面扫面施加电压的压电力显微镜针尖。

图2为铁电畴调控的mote2面内pnpn结能带结构示意图。

图3为器件单个pn结与pnpn结的伏安特性曲线。

图4、图5为铁电畴调控的mote2面内pnpn结开路电压-光功率关系图和短路电流-光功率关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明：

本发明研制了一种将铁电材料引入过渡金属硫族化合物二维半导体光伏器件，该光伏器件结构基于铁电场效应，利用铁电极化形成的局域电场，调节二维材料的载流子浓度，使得同一块二维材料上形成面内pnpn结。

实施案例1具体步骤如下：

1)绝缘硅衬底准备

绝缘硅衬底为表面覆盖有厚度为285纳米的二氧化硅的硅衬底。

2)双极性过渡金属化合物二维半导体制备及转移

采用机械剥离法将8纳米的双极性过渡金属化合物二维半导体mote2转移至绝缘硅衬底上。

3)金属电极制备

采用紫外光刻或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺制备金属电极3。电极由铬和金组成，铬厚度为15纳米，金厚度为25纳米。制备的3个金属电极分别位于双极性过渡金属化合物二维半导体(3)的两端及中间，形成左右两个平行的沟道。

4)铁电功能层的制备

在制备好的器件上运用旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在130℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性，聚偏氟乙烯基铁电功能层薄膜的厚度为60纳米。

5)利用压电力显微镜极化铁电功能层

压电力显微镜即是在原子力显微镜基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，压电力显微镜的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于压电力显微镜探针与样品电极之间，利用压电力显微镜微悬臂背面所反射的激光束来监测电致形变量。此发明正是利用压电力显微镜针尖施加在样品上的电压来极化p(vdf-trfe)。对于60纳米p(vdf-trfe)，扫描电压和扫描频率分别控制为±25v，1.5hz最较合适。扫描过程中，材料左数第一个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料；同理，材料左数第二个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内pnpn结。

实施案例2具体步骤如下：

1)绝缘硅衬底准备

绝缘硅衬底为表面覆盖有厚度为285纳米的二氧化硅的硅衬底。

2)双极性过渡金属化合物二维半导体制备及转移

采用机械剥离法将10纳米的双极性过渡金属化合物二维半导体mote2转移至绝缘硅衬底上。

3)金属电极制备

采用紫外光刻或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺制备金属电极3。电极由铬和金组成，铬厚度为15纳米，金厚度为25纳米。制备的3个金属电极分别位于双极性过渡金属化合物二维半导体(3)的两端及中间，形成左右两个平行的沟道。

4)铁电功能层的制备

在制备好的器件上运用旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在130℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性，聚偏氟乙烯基铁电功能层薄膜的厚度为60纳米。

5)利用压电力显微镜极化铁电功能层

压电力显微镜即是在原子力显微镜基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，压电力显微镜的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于压电力显微镜探针与样品电极之间，利用压电力显微镜微悬臂背面所反射的激光束来监测电致形变量。此发明正是利用压电力显微镜针尖施加在样品上的电压来极化p(vdf-trfe)。对于60纳米p(vdf-trfe)，扫描电压和扫描频率分别控制为±25v，1.5hz最较合适。扫描过程中，材料左数第一个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料；同理，材料左数第二个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内pnpn结。

实施案例3具体步骤如下：

1)绝缘硅衬底准备

绝缘硅衬底为表面覆盖有厚度为285纳米的二氧化硅的硅衬底。

2)双极性过渡金属化合物二维半导体制备及转移

采用机械剥离法将12纳米的双极性过渡金属化合物二维半导体mote2转移至绝缘硅衬底上。

3)金属电极制备

采用紫外光刻或者电子束曝光技术，结合热蒸发及剥离工艺制备金属电极3。电极由铬和金组成，铬厚度为15纳米，金厚度为25纳米。制备的3个金属电极分别位于双极性过渡金属化合物二维半导体(3)的两端及中间，形成左右两个平行的沟道。

4)铁电功能层的制备

在制备好的器件上运用旋涂方法制备聚偏氟乙烯基铁电功能层，并在130℃温度下退火2小时保证功能层的结晶特性，聚偏氟乙烯基铁电功能层薄膜的厚度为60纳米。

5)利用压电力显微镜极化铁电功能层

压电力显微镜即是在原子力显微镜基础上利用导电探针检测样品在外加激励电压下电致形变量的显微镜，压电力显微镜的探针以接触模式对样品进行扫描，信号发生器所产生电压施加于压电力显微镜探针与样品电极之间，利用压电力显微镜微悬臂背面所反射的激光束来监测电致形变量。此发明正是利用压电力显微镜针尖施加在样品上的电压来极化p(vdf-trfe)。对于60纳米p(vdf-trfe)，扫描电压和扫描频率分别控制为±25v，1.5hz最较合适。扫描过程中，材料左数第一个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料；同理，材料左数第二个沟道的左侧p(vdf-trfe)施加+25v扫描电压，右侧施加-25v扫描电压，使两边的极化方向分别远离和指向二维材料，进而利用铁电场调控二维材料形成面内pnpn结。

本发明指一种铁电畴调控的mote2面内pnpn结及制备方法，该结构器件具有制备简易，不受栅电极物理尺寸限制，开路电压倍增等特点，加速了二维半导体材料在太阳能电池领域的应用。