CN104617165A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p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、MoS2薄膜层、缓冲层、p型单晶Si基片和金属In背电极，其中，缓冲层为具有宽禁带的介质材料，禁带宽度Eg>3.0eV，作用主要包括两方面：一是，能够提高异质结界面内建电场；二是，阻挡载流子的界面复合特征。本发明通过界面缓冲层的引入，显著提高了器件的光伏性能，对比测试结果表明：开路电压、短路电流密度和光转换效率分别提高了69％以上、47％以上和85％以上。本发明具有器件结构简单，工艺简单、成品率高、制造成本低、生产过程无污染等特点，适于规模化工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种光伏太阳能电池器件及其制备方法，尤其涉及一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件及其制备方法，属于半导体太阳能电池领域。
背景技术
随着人们生活水平的提高，对能源的需求也越来越大，当今世界各国积极寻求新的能源来替代石油、煤炭等传统能源的趋势下，太阳能以其清洁、无公害、安全等显著的优势成为新能源中较早被人们使用，且与现在电力科技兼容性较好的能源。
太阳能电池器件的光伏性能是其最重要的核心指标之一，如何提高太阳能电池器件的光伏性能一直是本领域技术人员研究的热点。
中国专利申请CN104049022A和CN104198532A分别公开了一种具有氢气敏感效应的二硫化钼/硅异质薄膜器件及其制备方法和应用和一种具有氨气敏感效应的二硫化钼薄膜器件及其制备方法和应用。它们均利用直流磁控溅射技术在Si基片表面沉积MoS2薄膜，并分别利用MoS2薄膜对H2和NH3的吸附作用和半导体异质界面的电输运放大作用，制备出具有对H2和NH3敏感效应的MoS2/Si异质薄膜器件。
上述两种二硫化钼/硅异质薄膜器件的工作原理，主要基于MoS2薄膜材料对气体分子产生吸附，从而引起气体敏感效应。
但上述两种二硫化钼/硅异质薄膜器件均采用直接在Si半导体的表面上沉积MoS2薄膜的基本结构形式，均并未关注器件的界面特征，而器件的界面特征恰恰是器件光伏性能优劣的决定因素之一。
上述技术方案的因而导致制备出的二硫化钼/硅异质薄膜器件较差的界面结构和较小的内建电场，所形成的MoS2/Si n-p结的光伏性能较差，甚至无明显的光伏性能。
发明内容
本发明的目的之一是，提供一种太阳能转换效率高的MoS2/缓冲层/Si n-i-p结太阳能电池器件。
本发明为实现上述目的所需要解决的技术问题是，如何改进太阳能电池器件的内部结构，以提高太阳能电池器件光伏性能；
即，如何在现有技术的二硫化钼/硅异质薄膜器件的MoS2/Si界面之间，增加一层介质缓冲层，对其界面和能带结构的修饰，利用缓冲层对界面能带结构的修饰和对光生载流子界面复合的阻挡，进而提高太阳能电池器件光伏性能的技术问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p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、MoS2薄膜层、缓冲层、p型单晶Si基片和金属In背电极；
所述缓冲层通过直流磁控溅射沉积于所述p型单晶Si基片的上表面上，其厚度为1-3nm，材质为具有宽禁带的介质材料，所述介质材料的禁带宽度Eg>3.0eV；
所述MoS2薄膜层通过直流磁控溅射沉积于所述缓冲层的表面上，所述MoS2薄膜层具有n型半导体特征，其厚度为70-80nm；
所述Pd金属前电极通过直流磁控溅射沉积于所述MoS2薄膜的表面上，其厚度为30-40nm；
所述金属In背电极通过锡焊焊接在所述Si基片的下表面上，其厚度为0.2mm。
上述技术方案直接带来的技术效果是，通过界面缓冲层的引入，显著提高了器件的光伏性能，与现有技术的未引入界面缓冲层的异质结构的太阳能电池器件的性能对比检测结果表明，上述技术方案的太阳能电池器件具有较大开路电压、较高太阳光转化效率、结构和性能稳定等优点：
太阳能电池器件的开路电压由0.13V提高到了0.22V，提高了69％；短路电流密度由3.2mAcm-2提高到了4.7mAcm-2，提高了47％；光转换效率由1.3％提高到了2.4％，提高了85％。
并且，这种结构形式的太阳能电池器件，其结构简单，工艺简单、成品率高、制造成本低，生产过程无污染，适于规模化工业生产。
为更好地理解上述技术方案，现详细说明如下：
一方面，上述技术方案中，二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件中，所包括的缓冲层为具有宽禁带的介质材料，禁带宽度Eg>3.0eV，作用主要包括两方面：一是，能够提高异质结界面内建电场；二是，阻挡载流子的界面复合特征。
另一方面，上述技术方案中，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。
而MoS2的光吸收系数为105比晶体硅高了一个数量级。
而且，以薄膜形态直接沉积在具有介质缓冲层的Si基片表面上(该MoS2薄膜层具有n型半导体特征)，其制造工艺简单，容易大面积生长，因而工艺易控，成品率高，非常适合规模化的工业生产的要求，而且制备和使用过程中无毒害物质产生。
再者，由于MoS2与Si半导体二者之间存在较大的晶格结构差异，当在Si半导体表面沉积MoS2薄膜时，界面处会产生大量晶格缺陷，这些缺陷会大幅降低MoS2/Si太阳能电池器件的性能。
上述技术方案中，通过增加具有宽禁带的介质材料(禁带宽度Eg>3.0eV)的缓冲层来修饰MoS2/Si界面，使得MoS2薄膜层的功效得以充分发挥，其主要有三种作用：
1、利用缓冲层材料的能带结构对MoS2/Si异质界面的能带结构进行调制，提高界面内建电场，增强光生载流子的分离效果。
2、保护吸收层表面，避免溅射时对吸收层的损伤。
3、增加电池耗尽区的宽度，减少隧道效应，提高接触势垒的高度，阻止光生电子-空穴对在界面处的复合，从而提高光生电压。
再一方面，上述技术方案中，MoS2薄膜层具有n型半导体特征，其厚度为70-80nm，使得型半导体特征，能够与p型Si形成p-n结结构；
而且，恰当的MoS2薄膜厚度可以保证在p-n结两侧的MoS2层和Si基片层中形成大量的光生载流子，以保证器件光伏性能特征的产生。
上述技术方案中，金属Pd前电极厚度合理选择为30-40nm，是因为Pd金属具有较强的化学和热力学稳定性，保证了器件结构和性能的稳定性和成品率；且金属Pd前电极的厚度合理选择，一方面能够保证电极层在结构上的连续性，同时保证太阳光最大限度范围的通过Pd电极层而不被吸收，利于器件产生光伏性能特征。
上述技术方案中，金属In背电极的厚度为0.2mm，是因为In金属具有较强的化学稳定性，可以保证器件结构和性能的稳定性和成品率；而合理的In电极厚度尺寸选择可以保证电极层的均匀性和连续性，利于背电极对光生载流子的接收。
优选为，上述介质材料为二氧化硅、氧化铝或氮化硅。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，原料来源广泛，成本低廉，且适于通过直流磁控溅射沉积成膜。
进一步优选，上述p型单晶Si基片的电阻率为1.2～1.8Ωcm-1。
该优选技术方案直接带来的技术效果是，p型Si基片会与具有n型半导体特征的MoS2薄膜层形成p-n结，这将在界面处形成内建电场，使光生载流子发生分离；
p型单晶Si基片的电阻率为1.2～1.8Ωcm-1可大幅降低器件的反向漏电流，有利于产生光伏性能特征。
本发明的目的之二是，提供一种上述二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件的制备方法，其具有工艺流程简单、制造成本低、成品率高、产品质量稳定，且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，一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p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，将电阻率为1.2～1.8Ω·cm的p型Si单晶基片切割为器件用基片所需尺寸；
第二步，将切割后的Si单晶基片进行预处理：分别在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗30-180秒，再置于体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液中浸泡30-90秒，取出后，用氮气吹扫至干燥；
第三步，将干燥后的Si单晶基片装入托盘并放入送样室，进行预真空抽取；
当预真空度达到10-2Pa后，利用电磁传输杆将Si单晶基片送入溅射室溅射位置；
当溅射室的真空度达到设定的背底真空度5×10-4Pa后，通入高纯度的氩气；
然后，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第一设定值20-25℃和1-10Pa，采用射频磁控溅射技术，在恒定的200W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击具有宽禁带特征的氮化硅靶材、二氧化硅靶材或氧化铝靶材，在Si单晶基片的上表面沉积氮化硅、二氧化硅或氧化铝缓冲层；
第四步，将上述表面沉积有缓冲层的Si单晶基片更换至MoS2靶材位置上方，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第二设定值380℃和0.1-1Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的100W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击MoS2靶材，在具有缓冲层的Si单晶基片表面上沉积MoS2薄膜；
后更换至Pd金属靶材位置上方，将基片温度和氩气气压分别调至第三设定值20-25℃和1-10Pa，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MoS2薄膜层的表面沉积Pd金属电极；
第五步，再将金属In通过锡焊方式焊接在沉积Pd金属电极之后的Si单晶基片的底表面上，形成In背电极，即得。
优选为，上述氮化硅靶材、二氧化硅靶材或氧化铝靶材的纯度均为99.9％以上，其禁带宽度Eg均>3.0eV。
进一步优选，上述酒精和丙酮均为分析纯；
所述高纯氩气的纯度在99.999％以上；
所述氮气的纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述MoS2靶材的纯度为99.9％；
所述Pd靶材为纯度为99.99％的Pd金属靶；
所述MoS2靶材和所述Pd靶材的靶基距均为50mm。
进一步优选，上述第一设定值分别为25℃和5.0Pa；
所述第二设定值分别为380℃和0.3Pa；
所述第三设定值分别为25℃和3.0Pa。
上述技术方案直接带来的技术效果是，各缓冲层均采用射频磁控溅射技术制得，可以保证缓冲层的沉积效果，保证产品质量的稳定性；
上述技术方案的制备方法，其工艺流程简单、制造成本低、成品率高、产品质量稳定，且适于规模化工业生产。
为更好的理解上述技术方案的特点，现简要解释与说明如下：
上述技术方案中，采用高纯度的酒精和丙酮，可以将基片表面有机附着物较为彻底地去除；采用体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液，可以将Si基片表面不连续的疏松的本征氧化层有效去除，以保证基片表面的平整性；
上述技术方案中，氩气气氛为5.0Pa，沉积温度为20-25℃，溅射功率为200W。这可以较好地实现对缓冲层厚度控制，同时能保证所述缓冲层的良好致密性和表面平整性，并能降低界面损伤和元素扩散；
上述技术方案中，将Si基片更换至MoS2靶材位置上方的操作是在不破坏真空的条件下完成，能有效避免基片表面的杂质吸附；
上述技术方案中，MoS2靶材的纯度为99.9％以上，保证了具有n型半导体特征的MoS2薄膜的制得；而氩气气压维持在0.3Pa不变，MoS2靶的靶基距为50mm，MoS2薄膜的沉积温度控制为为380℃。这一系列的工艺参数的选择，一方面减少了MoS2薄膜中S元素的缺失，另一方面能保证MoS2薄膜的良好结晶质量；
上述技术方案中，将样品更换至Pd靶材位置上方的操作是在不破坏真空的条件下完成，能有效避免基片表面的杂质吸附；
上述技术方案中，Pd金属靶靶材纯度为99.99％以上、氩气气压始终保持在3Pa，靶基距为50mm，Pd电极层的沉积温度为20-25℃。这可以较好地实现对电极层厚度的控制，同时能保证所述电极层的良好致密性和连续性，并能降低界面损伤和元素扩散；
上述技术方案中，In金属背电极通过采用将金属In通过锡焊方式焊接在所述Si基片底面上制得，其方法简单、操作简便。
需要说明的是，上述真空腔的背底真空度为5×10-4Pa，实际操作过程中，可以采用机械泵和分子泵双级真空泵配合抽吸的方式获得。
综上所述，本发明通过在具有缓冲层的p-Si基片表面沉积MoS2薄膜，形成n-i-p结，利用该n-i-p结所具有的光伏效应，制备出MoS2/缓冲层/Si n-i-p太阳能电池的核心元器件，其制备方法具有工艺流程简单、工艺参数控制简便、制造成本低、成品率高、产品质量稳定、便于大规模生产等技术特点。
本发明相对于现有技术，具有器件结构简单、开路电压高、光电转换效率高，生产工艺简单、制造成本低、成品率高等有益效果。
附图说明
图1为实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p结太阳能电池器件的结构示意图。
图2为实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p结太阳能电池器件的拉曼光谱图。
图3为实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p结太阳能电池器件的能带结构图。
图4为实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p结太阳能电池器件的内建电场曲线图。
图5为现有技术所制备出的MoS2/Si n-p结器件的内建电场曲线图。
图6为实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p结太阳能电池器件与现有技术所制备出的MoS2/Si n-p结器件的反向漏电流对比曲线图。
图7实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p结太阳能电池器件与现有技术所制备出的MoS2/Si n-p结器件的光伏性能对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件，为层状结构，由上至下依次包括Pd金属前电极、MoS2薄膜层、缓冲层、p型单晶Si基片和金属In背电极；
上述缓冲层通过直流磁控溅射沉积于所述p型单晶Si基片的上表面上，其厚度为1-3nm，材质为具有宽禁带的介质材料，该介质材料的禁带宽度Eg>3.0eV；
上述MoS2薄膜层通过直流磁控溅射沉积于上述缓冲层的表面上，其中，MoS2薄膜层具有n型半导体特征，其厚度为70-80nm；
上述Pd金属前电极通过直流磁控溅射沉积于上述MoS2薄膜的表面上，其厚度为30-40nm；
上述金属In背电极通过锡焊焊接在上述Si基片的下表面上，其厚度为0.2mm。
上述介质材料为二氧化硅、氧化铝或氮化硅。
上述p型单晶Si基片的电阻率为1.2～1.8Ωcm-1。
说明：图1仅示出了缓冲层为SiO2时的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件的结构，其中的缓冲层还可以是Al2O3或Si3N4。
实施例1
二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件的制备方法，包括以下步骤：
第一步，将电阻率为1.2～1.8Ω·cm的p型Si单晶基片切割为器件用基片所需尺寸；
第二步，将切割后的Si单晶基片分别在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗60秒，再置于体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液中浸泡60秒，取出后，用氮气吹扫至干燥；
第三步，将干燥后的Si单晶基片装入托盘并放入送样室，进行预真空抽取；
当预真空度达到10-2Pa后，利用电磁传输杆将Si单晶基片送入溅射室溅射位置；
当溅射室的真空度达到设定的背底真空度5×10-4Pa后，通入高纯度的氩气；
然后，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第一设定值20℃和1Pa，采用射频磁控溅射技术，在恒定的200W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击具有宽禁带特征的二氧化硅靶材，在Si基片的上表面沉积氮化硅缓冲层；
第四步，将上述表面沉积有缓冲层的Si单晶基片更换至MoS2靶材位置上方，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第二设定值380℃和0.1Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的100W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击MoS2靶材，在具有缓冲层的Si基片表面上沉积MoS2薄膜；
后更换至Pd金属靶材位置上方，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第三设定值20℃和1Pa，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MoS2薄膜层的表面沉积Pd金属电极；
第五步，再将金属In通过锡焊方式焊接在沉积Pd金属电极之后的Si基片的底表面上，形成In背电极，即得。
上述二氧化硅靶材的纯度为99.9％以上，其禁带宽度Eg均>3.0eV。
上述酒精和丙酮均为分析纯；
高纯氩气的纯度在99.999％以上；
氮气的纯度为99.95％以上的干燥氮气；
MoS2靶材的纯度为99.9％；
Pd靶材为纯度为99.99％的Pd金属靶；
MoS2靶材和所述Pd靶材的靶基距均为50mm。
经检测，所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.22V，短路电流密度为4.7mAcm-2，转换效率为2.4％。
实施例2
将实施例1中的二氧化硅靶材替换为氮化硅靶材；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/Si3N4/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.23V，短路电流密度为4.8mAcm-2，转换效率为2.5％。
实施例3
将实施例1中的二氧化硅靶材替换为氧化铝靶材；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/Al2O3/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.23V，短路电流密度为4.7mAcm-2，转换效率为2.5％。
实施例4
在第二步，将切割后的Si单晶基片进行预处理的步骤中，分别在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗30秒，再置于体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液中浸泡30秒，取出后，用氮气吹扫至干燥；
第一设定值为25℃和10Pa；
第二设定值为380℃和0.3Pa；
第三设定值25℃和10Pa；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.24V，短路电流密度为4.7mAcm-2，转换效率为2.45％。
实施例5
在第二步，将切割后的Si单晶基片进行预处理的步骤中，分别在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗180秒，再置于体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液中浸泡90秒，取出后，用氮气吹扫至干燥；
第一设定值为25℃和5Pa；
第二设定值为380℃和0.2Pa；
第三设定值25℃和6Pa；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.23V，短路电流密度为4.7mAcm-2，转换效率为2.5％。
实施例6
在第二步，将切割后的Si单晶基片进行预处理的步骤中，分别在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗120秒，再置于体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液中浸泡75秒，取出后，用氮气吹扫至干燥；
第一设定值为25℃和7Pa；
第二设定值为380℃和0.3Pa；
第三设定值25℃和5Pa；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.23V，短路电流密度为4.7mAcm-2，转换效率为2.5％。
实施例7
第一设定值为25℃和8Pa；
第二设定值为380℃和0.3Pa；
第三设定值25℃和6Pa；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.225V，短路电流密度为4.75mAcm-2，转换效率为2.45％。
实施例8
第一设定值为23℃和5Pa；
第二设定值为380℃和0.3Pa；
第三设定值23℃和5Pa；
其余均同实施例1。
经检测，所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件具有良好的光伏性能特征，测试结果为：在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.235V，短路电流密度为4.8mAcm-2，转换效率为2.45％。
将实施例1至8所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件与现有技术制备出的MoS2/Sin-p结器件，采用相同的检测方法，进行对比分析，其中，
现有技术制备方法制备出的MoS2/Si n-p结器件的主要性能指标参数如下：
在15mW/cm2光照条件下，开路电压为0.13V，短路电流密度为3.2mAcm-2，转换效率为1.3％。
可以看出：
实施例1-8所获得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件，相对于现有技术制备出MoS2/Sin-p结器件，光电性能发生了明显的变化：
在15mW/cm2光照条件下，开路电压由0.13V提高到0.22V以上，提高了69％以上；
短路电流密度由3.2mAcm-2提高到4.7mAcm-2以上，提高了47％以上；
转换效率由1.3％提高到2.4％以上，提高了85％以上。
其对比结果分别如图2至图6所示。
选取实施例1作为代表性实施例。
将实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件进行拉曼光谱分析，结果见图2。
如图2所示，图中，520cm-1为Si基片拉曼峰，380cm-1和405cm-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)。
将实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件构建界面能带结构，结果见图3。
如图3所示，SiO2层的能带结构，特别是其宽禁带特征，将对器件的界面能带结构进行调制，提高器件界面内建电场和降低漏电流。
将实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件与现有技术所制得的二硫化钼/硅异质薄膜器件(即，MoS2/Si n-p太阳能电池器件)分别进行内建电场对比分析，所得结果见图4、图5。
如图4所示，实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件的内建电场为0.73V；
如图5所示，现有技术所制得的MoS2/Si n-p结器件的内建电场为0.38V。
对比图4与图5，可以看出，实施例1所制备出的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件，由于引入SiO2缓冲层，使的器件的内建电场显著提高，这有利于光生载流子的分离效果，提高器件开路电压。
进一步，将实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件与现有技术所制得的MoS2/Si n-p结器件进行反向漏电流对比分析，所得结果见图6。
如图6所示，图中，上方的曲线代表实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件，下方曲线代表现有技术所制得的MoS2/Si n-p结器件。
从图6中可以看出，在黑暗条件下，反向电压为-1.0V时，实施例1所制得的MoS2/SiO2/Sin-i-p太阳能电池器件，其漏电流密度为1.1mAcm-2，而现有技术所制得的MoS2/Si n-p结的漏电流密度为1.6mAcm-2。
我们认为，SiO2缓冲层的绝缘性能特征，降低了器件反向漏电，这有利于增强光生载流子的产生，提高器件光电流密度。
进一步地，将实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si p-i-n太阳能电池器件与现有技术所制得的MoS2/Si n-p结器件进行伏安特性对比分析，所得结果见图7。
如图7所示，图中，下方的曲线代表实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si n-i-p太阳能电池器件，上方曲线代表现有技术所制得的MoS2/Si n-p结器件。
从图中可以看出，在15mW/cm2光照条件下，现有技术所制得的MoS2/Si n-p结器件的开路电压为0.13V，短路电流密度3.2mAcm-2，转换效率为1.3％；
实施例1所制得的MoS2/SiO2/Si p-i-n太阳能电池器件的光伏性能得到了明显的改善，开路电压为0.22V，短路电流密度为4.7mAcm-2；转换效率为2.4％。
Claims (7)
1.一种二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p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、MoS2薄膜层、缓冲层、p型单晶Si基片和金属In背电极；
所述缓冲层通过直流磁控溅射沉积于所述p型单晶Si基片的上表面上，其厚度为1-3nm，材质为具有宽禁带的介质材料，所述介质材料的禁带宽度Eg>3.0eV；
所述MoS2薄膜层通过直流磁控溅射沉积于所述缓冲层的表面上，所述MoS2薄膜层具有n型半导体特征，其厚度为70-80nm；
所述Pd金属前电极通过直流磁控溅射沉积于所述MoS2薄膜的表面上，其厚度为30-40nm；
所述金属In背电极通过锡焊焊接在所述Si基片的下表面上，其厚度为0.2mm。
2.根据权利要求1所述的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件，其特征在于，所述介质材料为二氧化硅、氧化铝或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件，其特征在于，所述p型单晶Si基片的电阻率为1.2～1.8Ωcm-1。
4.一种如权利要求1所述的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p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，将电阻率为1.2～1.8Ω·cm的p型Si单晶基片切割为器件用基片所需尺寸；
第二步，将切割后的Si单晶基片进行预处理：分别在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗30-180秒，再置于体积百分比浓度为3-5％的氢氟酸溶液中浸泡30-90秒，取出后，用氮气吹扫至干燥；
第三步，将干燥后的Si单晶基片装入托盘并放入送样室，进行预真空抽取；
当预真空度达到10-2Pa后，利用电磁传输杆将Si单晶基片送入溅射室溅射位置；
当溅射室的真空度达到设定的背底真空度5×10-4Pa后，通入高纯度的氩气；
然后，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第一设定值20-25℃和1-10Pa，采用射频磁控溅射技术，在恒定的200W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击具有宽禁带特征的氮化硅靶材、二氧化硅靶材或氧化铝靶材，在Si单晶基片的上表面沉积氮化硅、二氧化硅或氧化铝缓冲层；
第四步，将上述表面沉积有缓冲层的Si单晶基片更换至MoS2靶材位置上方，将Si单晶基片温度和氩气气压分别调至第二设定值380℃和0.1-1Pa，采用直流磁控溅射技术，在恒定的100W溅射功率条件下，利用电离出的离子轰击MoS2靶材，在具有缓冲层的Si单晶基片表面上沉积MoS2薄膜；
后更换至Pd金属靶材位置上方，将基片温度和氩气气压分别调至第三设定值20-25℃和1-10Pa，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MoS2薄膜层的表面沉积Pd金属电极；
第五步，再将金属In通过锡焊方式焊接在沉积Pd金属电极之后的Si单晶基片的底表面上，形成In背电极，即得。
5.根据权利要求4所述的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件的制备方法，所述氮化硅靶材、二氧化硅靶材或氧化铝靶材的纯度均为99.9％以上，其禁带宽度Eg均>3.0eV。
6.根据权利要求4所述的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件的制备方法，所述酒精和丙酮均为分析纯；
所述高纯氩气的纯度在99.999％以上；
所述氮气的纯度为99.95％以上的干燥氮气；
所述MoS2靶材的纯度为99.9％；
所述Pd靶材为纯度为99.99％的Pd金属靶；
所述MoS2靶材和所述Pd靶材的靶基距均为50mm。
7.根据权利要求4所述的二硫化钼/缓冲层/硅n-i-p太阳能电池器件的制备方法，其特征在于，所述第一设定值分别为25℃和5.0Pa；
所述第二设定值分别为380℃和0.Pa；
所述第三设定值分别为25℃和3.0Pa。
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2015
- 2015-01-23 CN CN201510034090.0A patent/CN104617165B/zh not_active Expired - Fee Related
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