CN105226125A - 一种Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，其为层状结构，由上至下依次包括Pd金属前电极、Pd-MoS2薄膜层、第一SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基片、第二SiO2绝缘缓冲层和金属In背电极。其制备方法，主要采用直流磁控溅射技术、利用高能电子轰击Pd-MoS2靶材表面，以溅射出大量离子并在经过钝化处理后的Si单晶基片表面上沉积成薄膜；并制备出前电极与背电极层，即成。本发明的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，其开路电压、短路电流密度和光转换效率，相对于现有技术的同类产品，分别提高了60％、160％和300％以上。本发明的工艺简单、生产过程及产品均绿色环保，成品率高、制造成本低，适于规模化工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于半导体异质结的太阳能电池器件及其制备方法，尤其涉及一种Pd金属掺杂的MoS2异质结光伏太阳能电池器件及其制备方法。
背景技术
光电利用即光伏发电是近些年发展最快，也是最具经济潜力的能源开发领域之一，而太阳能电池则是光伏发电***的核心部分。一直以来，硅(Si)半导体在太阳能电池研制领域占有主导地位。同时，为实现太阳能电池转换效率的大幅提高和生产成本的显著降低，国内外研究人员不断尝试各种新型半导体材料，其中二硫化钼(MoS2)更值得关注和研究。
本征MoS2属于n型半导体，其带隙宽度约为1.2-1.9eV。MoS2的带隙与可见光(1.7～3.1eV)具有良好的匹配性，能对太阳光产生较强吸收，其可见光吸收系数约为105cm-1，超过Si一个数量级。为此，MoS2已成为研制新型光伏太阳能电池器件的热点材料之一。MoS2具有层状结构特征，这一结构使该类半导体的导电性呈现各向异性特征：一方面，电子在径向(层内)上的输运能力超强。
另一方面，在轴向(垂直于膜面)上，MoS2则表现出较弱的导电性，其电导率仅是径向的10-3倍。较弱的轴向导电性严重阻碍了光激发电子的输运，会导致其光伏性能大幅降低。为此，必须探索出一种有效方法来增强MoS2薄膜的轴向导电性。
中国专利申请CN104465844A公开了一种二硫化钼/硅p-n结太阳能电池器件及其制备方法，该方法利用磁控溅射技术在Si半导体表面直接沉积了一层MoS2薄膜，并在该p-n结器件中观测到了明显的光伏效应。
中国专利申请CN104617165A公开了一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件及其制备方法，该方法利用磁控溅射技术在MoS2和Si之间***一层缓冲层材料，从而获得了增强的光伏性能。
但是，上述两种太阳能电池器件，均未采取有效技术方法改善MoS2的轴向导电性。这导致已有器件的短路电流密度较小，阻碍了其光伏性能的提高。
如何有效提高MoS2薄膜的轴向导电性，进而在此基础上，进一步地，研制出一种具有较高短路电流和光伏性能的太阳能电池器件，已成为当前基于半导体异质结的太阳能电池器件技术领域的一个重要研究方向。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种具有较高短路电流密度和优良光伏性能的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件。
本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是，通过过渡金属原子掺杂的方法，提高光伏太阳能电池器件的性能；即通过Pd金属掺杂，增强MoS2层与层之间的电子输运能力，从而增强其轴向导电性，从而提高光电流密度和光伏性能。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，其特征在于，为层状结构，由上至下依次包括Pd金属前电极、Pd-MoS2薄膜层、第一SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基片、第二SiO2绝缘缓冲层和金属In背电极；其中：
所述Si单晶基片是单面抛光，晶面取向为(100)面、导电类型为n型；
所述第一SiO2绝缘缓冲层和第二SiO2绝缘缓冲层的厚度均为1-3nm；
所述Pd-MoS2薄膜层、Pd金属前电极和金属In背电极的厚度分别为10-30nm、30-40nm、0.2mm；
上述Pd-MoS2薄膜层中，Pd与MoS2的摩尔比为0.5-5︰95-99.5。
上述技术方案直接带来的技术效果是，从制备材料和结构两方面着手，在现有技术的基础上，通过Pd金属对MoS2薄膜的掺杂，有效提高了薄膜的轴向导电性，利于光激发电子在薄膜内的输运，使得光伏太阳能电池器件在短路电流、开路电压、光转化效率等综合性能方面取得了突破性的改善和显著的提升：
检测结果表明，采用上述技术方案所制得的Pd-MoS2光伏太阳能电池器件，其在30mWcm-2的白光照条件下，光激发电流密度为9.3mAcm-2，开路电压0.39V，转化效率4.6％。上述光伏性能参数与未掺杂器件的比较分别提高超过160％、60％和300％。
为更好地理解上述技术方案，现从原理上进行详细说明：
1、Pd金属对MoS2薄膜的掺杂达到的技术效果有三个方面：(1)实现金属元素填充，提高薄膜轴向导电性；(2)降低薄膜内的缺陷密度，减少光电子复合中心，提高光电流密度；(3)调制MoS2薄膜的能带结构，增加异质结界面内建电场，提高开路电压。
2、上述技术方案中，SiO2绝缘缓冲层采用热氧化的化学方法制备，使得SiO2绝缘缓冲层能有效地钝化Si单晶基片表面，减小光生电子空穴对的复合，缓冲层的厚度为1-3nm，能保证光生载流子在隧穿效应下，穿过绝缘氧化层。
3、上述技术方案中，采用30-40nm的Pd金属薄膜作为前电极主要原因：(1)Pd金属具有很好的热稳定性和化学稳定性，能在空气环境中保持良好的电子收集和传送能力(2)Pd金属不易氧化，能保证器件性能稳定。
4、上述技术方案中，采用0.2mm的In金属薄膜作为背电极，这是基于In金属在空气中具有很好的化学稳定性，不易与氧气发生氧化反应，保证了在异质结内形成均匀的电场。
5、上述技术方案中，采用的是电阻率为1-10Ωcm的n型Si，该电阻率能满足在Si内具有较高的载流子浓度，同时能与MoS2薄膜形成异质结，保证了在耗尽区内光生电子空穴对的快速分离。
实验证明，上述技术方案的Pd-MoS2光伏太阳能电池器件，具有短路电流密度高、开路电压大及光转化效率高等优点。
优选为，上述第一SiO2绝缘缓冲层和第二SiO2绝缘缓冲层是采用过氧化氢热氧化方法，分别对Si单晶基片的上、下两个表面进行氧化制得的；
所述Pd-MoS2薄膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述第一SiO2缓冲层表面上的；
所述金属In背电极是通过热熔法固结在所述第二SiO2绝缘缓冲层上的。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，制备方法简单、产品质量稳定性与一致性更好。
本发明的目的之二是，提供一种上述的Pd-MoS2光伏太阳能电池器件的制备方法，其工艺简单、成品率高、对环境友好，适于规模化工业生产。本发明为实现上述目的所采用的技术方案是，一种如权利要求1所述的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Pd-MoS2靶材制备步骤
按摩尔份数，分别取纯度为99.99％以上的Pd金属颗粒0.5-5份、纯度为99.9％以上的MoS2颗粒95-99.5份，共混后入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
第二步，硅基片表面钝化步骤
选取电阻率为1-10Ω·cm、晶面取向为(100)面n型Si单晶基片，依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；
取出并置于体积百分比浓度为4％的氢氟酸溶液中超声清洗60s；取出并用氮气吹干；
然后，将吹干后的Si单晶基片放入盛有体积分数为30％过氧化氢溶液的烧杯中，将烧杯放入水浴锅中，在95℃条件下水浴加热20min，以进行表面钝化；
取出，置于去离子水中清洗一分钟；取出并用高纯氮气吹干，即完成Si单晶基片的表面钝化，制得具有SiO2绝缘缓冲层的Si衬底；
第三步，Pd-MoS2薄膜层表面沉积步骤
将钝化后的Si单晶基片衬底装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在氩气气体环境下，将Si单晶基片的温度调至第一温度380-400℃，氩气气压调至第一压力1-10Pa，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击Pd-MoS2靶材，在所述第一SiO2绝缘缓冲层的表面上，沉积一层Pd-MoS2薄膜层；
第四步，Pd金属电极表面沉积步骤
将托盘更换至Pd靶材的正上方，将上述已经沉积有Pd-MoS2薄膜层的的表面覆盖掩膜片，掩膜片中心具有面积为0.1cm2的孔；
将Si单晶基片的温度调至第二温度20-25℃，氩气气压调至第二压力3Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的40W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在上述Pd-MoS2薄膜层的表面上，再沉积一层Pd金属电极；
第五步，In背电极的制备步骤
取出表面沉积有Pd金属电极的Si单晶基片，通过锡焊方式将金属In焊接在所述第二SiO2绝缘缓冲层上，形成In背电极，即得。
上述技术方案直接带来的技术效果是，制备工艺简单、成品率高，适于规模化工业生产，并且上述制备方法无有毒有害原料使用、无有毒有害废物产生或废气排放，整个工艺流程绿色环保、无污染；
上述技术方案所制得的产品质量均匀稳定、各薄膜层附着牢固、厚度均匀稳定且易于控制。
优选为，上述氩气的纯度在99.999％以上；上述高纯氮气是指纯度为99.95％以上的干燥氮气；
上述MoS2靶材的靶基距和所述Pd靶材的靶基距均为50mm。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，该距离既能满足离子在运动过程中与工作气体充分碰撞降低动能，又能保证离子在成膜过程中具有足够的附着力；
进一步优选，上述第一温度为380℃，所述第一压力为5Pa。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，既能使二硫化钼薄膜的晶体质量提高，又能满足离子在成膜过程中具有足够的附着力，同时还能比较容易的控制成膜厚度；
综上所述，本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1、本发明的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，在30mWcm-2的白光照条件下，光激发电流密度为9.3mAcm-2，开路电压0.39V，转化效率4.6％。
与现有技术的(MoS2)未掺杂器件的比较，其光伏性能参数分别提高超过160％、60％和300％。。
2、本发明的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的制备方法具有工艺简单、参数控制简便，适于规模化工业生产；且其成品率高(制造成本低)、、产品质量稳定性与可靠性好。
附图说明
图1为本发明的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的结构示意图；
图2为实施例1所制得Pd-MoS2薄膜的拉曼光谱图；
图3为实施例1所制得Pd-MoS2薄膜的X射线光电子能谱；
图4为实施例1所制得不同掺杂浓度的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件在30mWcm-2白光照射下的I-V曲线比较；
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明进行详细说明。
实施例1
制备方法如下：
第一步，Pd-MoS2靶材制备步骤
按摩尔份数，分别取纯度为99.99％以上的Pd金属颗粒1份、纯度为99.9％以上的MoS2颗粒99份，共混后入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
第二步，硅基片表面钝化步骤
选取电阻率为1-10Ω·cm、晶面取向为(100)面n型Si单晶基片，依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；
取出并置于体积百分比浓度为4％的氢氟酸溶液中超声清洗60s；取出并用氮气吹干；
然后，将吹干后的Si单晶基片放入盛有体积分数为30％过氧化氢溶液的烧杯中，将烧杯放入水浴锅中，在95℃条件下水浴加热20min，以进行表面钝化；
取出，置于去离子水中清洗一分钟；取出并用高纯氮气吹干，即完成Si单晶基片的表面钝化，制得具有SiO2绝缘缓冲层的Si衬底；
第三步，Pd-MoS2薄膜层表面沉积步骤
将钝化后的Si单晶基片衬底装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在氩气气体环境下，将Si单晶基片的温度调至第一温度380-400℃，氩气气压调至第一压力1-10Pa，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击Pd-MoS2靶材，在所述第一SiO2绝缘缓冲层的表面上，沉积一层Pd-MoS2薄膜层；
第四步，Pd金属电极表面沉积步骤
将托盘更换至Pd靶材的正上方，将上述已经沉积有Pd-MoS2薄膜层的的表面覆盖掩膜片，掩膜片中心具有面积为0.1cm2的孔；
将Si单晶基片的温度调至第二温度20-25℃，氩气气压调至第二压力3Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的40W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在上述Pd-MoS2薄膜层的表面上，再沉积一层Pd金属电极；
第五步，In背电极的制备步骤
取出表面沉积有Pd金属电极的Si单晶基片，通过锡焊方式将金属In焊接在所述第二SiO2绝缘缓冲层上，形成In背电极，即得。
产品性能检测结果：
经检测，在30mWcm-2的白光照条件下，所制得的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的光激发电流密度为9.3mAcm-2，开路电压0.39V，转化效率4.6％。
实施例2
(说明：该实施例为对比实施例，所使用的靶材为纯MoS2靶材。即，在靶材的制备过程中，不使用Pb金属对MoS2进行掺杂处理)
第一步，纯MoS2靶材制备步骤
取纯度为99.9％以上的MoS2颗粒，入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在30mWcm-2的白光照条件下，所制得的MoS2异质结光伏太阳能电池器件的光激发电流密度为3.5mAcm-2，开路电压0.23V，转化效率1.1％。
实施例3
第一步，Pd-MoS2靶材制备步骤
按摩尔份数，分别取纯度为99.99％以上的Pd金属颗粒0.5份、纯度为99.9％以上的MoS2颗粒99.5份，共混后入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在30mWcm-2的白光照条件下，所制得的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的光激发电流密度为5.2mAcm-2，开路电压0.33V，转化效率2.8％。
实施例4
第一步，Pd-MoS2靶材制备步骤
按摩尔份数，分别取纯度为99.99％以上的Pd金属颗粒3份、纯度为99.9％以上的MoS2颗粒97份，共混后入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在30mWcm-2的白光照条件下，所制得的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的光激发电流密度为7.1mAcm-2，开路电压0.32V，转化效率3.1％。
实施例5
第一步，Pd-MoS2靶材制备步骤
按摩尔份数，分别取纯度为99.99％以上的Pd金属颗粒5份、纯度为99.9％以上的MoS2颗粒95份，共混后入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
其余，均同实施例1。
产品性能检测结果：
经检测，在30mWcm-2的白光照条件下，所制得的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的光激发电流密度为4.4mAcm-2，开路电压0.3V，转化效率1.7％。
为更好地理解本发明的技术特点，下面结合附图，对本发明所制得的产品的性能检测方法和检测结果进行详细说明。
图1为Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件结构示意图。如图1所示，本发明的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，其为层状结构，由上至下依次包括Pd金属前电极、Pd-MoS2薄膜层、第一SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基片、第二SiO2绝缘缓冲层和金属In背电极；其中：
上述Si单晶基片是单面抛光，晶面取向为(100)面、导电类型为n型；
上述第一SiO2绝缘缓冲层和第二SiO2绝缘缓冲层的厚度均为1-3nm；
上述Pd-MoS2薄膜层、Pd金属前电极和金属In背电极的厚度分别为10-30nm、30-40nm、0.2mm。
上述第一SiO2绝缘缓冲层和第二SiO2绝缘缓冲层是采用过氧化氢热氧化方法，分别对Si单晶基片的上、下两个表面进行氧化制得的；
上述Pd-MoS2薄膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于上述第一SiO2缓冲层表面上的；
上述金属In背电极是通过热熔法固结在上述第二SiO2绝缘缓冲层上的。
图2为为实施例1所制得Pd-MoS2薄膜的拉曼光谱图。
如图2所示，图中380cm-1和406cm-1分别为MoS2薄膜的典型面内振动模式(E1 2g)和面外振动模式(A1g)，峰间距为27cm-1。上述特征符合MoS2材料的拉曼振动特征。
图3为实施例1所制得Pd-MoS2薄膜的X射线光电子能谱(XPS)。
如图3所示，分析确定了Pd-MoS2薄膜的成分和结合能。
Mo原子的3d5/2和3d3/2轨道分别对应着结合能为229eV和232eV；
硫原子的2p3/2和2p1/2轨道分别对应着结合能为162eV和163eV；
而Pd原子的3d5/2和3d3/2轨道分别对应着结合能为337.6eV和342.9eV。
图4为不同摩尔掺杂比例的Pd-MoS2异质结器件在30mWcm-2白光照射下的I-V曲线比较。
如图4所示，未掺杂MoS2异质结器件的短路电流、开路电压和光转化效率分别为3.5mAcm-2、0.23V、1.1％。
采用Pd金属进行MoS2掺杂后，所获得的光伏太阳能电池器件性能明显改善；
尤其摩尔掺杂比例为1％时，光伏性能更佳，其短路电流、开路电压和光转化效率分别为9.3mAcm-2、0.39V、4.6％。
可以看出，采用Pd金属进行MoS2掺杂后，相对于现有技术，所获得的光伏太阳能电池器件，其光伏性能改善效果十分显著。
Claims (5)
1.一种Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，其特征在于，为层状结构，由上至下依次包括Pd金属前电极、Pd-MoS2薄膜层、第一SiO2绝缘缓冲层、Si单晶基片、第二SiO2绝缘缓冲层和金属In背电极；其中：
所述Si单晶基片是单面抛光，晶面取向为(100)面、导电类型为n型；
所述第一SiO2绝缘缓冲层和第二SiO2绝缘缓冲层的厚度均为1-3nm；
所述Pd-MoS2薄膜层、Pd金属前电极和金属In背电极的厚度分别为10-30nm、30-40nm、0.2mm；
上述Pd-MoS2薄膜层中，Pd与MoS2的摩尔比为0.5-5︰95-99.5。
2.根据权利要求1所述的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件，其特征在于，所述第一SiO2绝缘缓冲层和第二SiO2绝缘缓冲层是采用过氧化氢热氧化方法，分别对Si单晶基片的上、下两个表面进行氧化制得的；
所述Pd-MoS2薄膜层是采用直流磁控溅射方法沉积于所述第一SiO2缓冲层表面上的；
所述金属In背电极是通过热熔法固结在所述第二SiO2绝缘缓冲层上的。
3.一种如权利要求1所述的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，Pd-MoS2靶材制备步骤
按摩尔份数，分别取纯度为99.99％以上的Pd金属颗粒0.5-5份、纯度为99.9％以上的MoS2颗粒95-99.5份，共混后入球磨机粉磨至粒径为500-800目的粉体；
将粉磨制得的粉体，装入压片机模具，置于压片机上，压力机的压力为20-25MPa、压制时间为1小时，压制成厚度3-5mm，直径60mm的圆柱状靶材；
第二步，硅基片表面钝化步骤
选取电阻率为1-10Ω·cm、晶面取向为(100)面n型Si单晶基片，依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180s；
取出并置于体积百分比浓度为4％的氢氟酸溶液中超声清洗60s；取出并用氮气吹干；
然后，将吹干后的Si单晶基片放入盛有体积分数为30％过氧化氢溶液的烧杯中，将烧杯放入水浴锅中，在95℃条件下水浴加热20min，以进行表面钝化；
取出，置于去离子水中清洗一分钟；取出并用高纯氮气吹干，即完成Si单晶基片的表面钝化，制得具有SiO2绝缘缓冲层的Si衬底；
第三步，Pd-MoS2薄膜层表面沉积步骤
将钝化后的Si单晶基片衬底装入托盘、放入真空腔，并将真空腔抽为高真空，在氩气气体环境下，将Si单晶基片的温度调至第一温度380-400℃，氩气气压调至第一压力1-10Pa，采用直流磁控溅射技术，利用电离出的离子轰击Pd-MoS2靶材，在所述第一SiO2绝缘缓冲层的表面上，沉积一层Pd-MoS2薄膜层；
第四步，Pd金属电极表面沉积步骤
将托盘更换至Pd靶材的正上方，将上述已经沉积有Pd-MoS2薄膜层的的表面覆盖掩膜片，掩膜片中心具有面积为0.1cm2的孔；
将Si单晶基片的温度调至第二温度20-25℃，氩气气压调至第二压力3Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的40W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击Pd靶材，在上述Pd-MoS2薄膜层的表面上，再沉积一层Pd金属电极；
第五步，In背电极的制备步骤
取出表面沉积有Pd金属电极的Si单晶基片，通过锡焊方式将金属In焊接在所述第二SiO2绝缘缓冲层上，形成In背电极，即得。
4.根据权利要求3所述的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，所述氩气的纯度在99.999％以上；
所述高纯氮气是指纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述MoS2靶材的靶基距和所述Pd靶材的靶基距均为50mm。
5.根据权利要求3所述的Pd-MoS2异质结光伏太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，所述第一温度为380℃，所述第一压力为5Pa。
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