CN106653892B - 一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、石墨烯层、第一电极和第二电极，其中，所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上，另一部分位于所述绝缘层上，所述第一电极位于所述开口中，其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上，其一部分与所述石墨烯层接触，另一部分与所述绝缘层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。本发明的光伏装置为结构简单，尺寸小，在微纳器件和柔性器件中有潜在的应用。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，尤其涉及一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法。
背景技术
自从1947年贝尔实验室的科学家巴丁(John Bardeen)和布拉顿(WalterBrattain)发明了半导体晶体管之后，PN结作为现代半导体器件的基本结构单元在现代半导体光电组件和系统中得到了广泛的应用。基于PN结原理的光伏效应，贝尔实验室于1954年第一次做出了光电转换效率为6％的实用单晶硅光伏电池，开创了光伏发电的新纪元。半个多世纪以来，所有开发和利用的光伏器件都遵循这一原理。但是，传统半导体PN结复杂的器件工艺和较大的器件尺寸限制了其广泛应用，尤其在微纳器件和柔性器件的应用中有较大的局限性。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、石墨烯层、第一电极和第二电极，其中，所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上，另一部分位于所述绝缘层上，所述第一电极位于所述开口中，其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上，其一部分与所述石墨烯层接触，另一部分与所述绝缘层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。
根据本发明的光伏装置，优选地，所述低阻光增益半导体衬底为低阻有机半导体或低阻无机半导体。
根据本发明的光伏装置，优选地，所述低阻光增益半导体衬底为单一块体或多层半导体薄膜。
根据本发明的光伏装置，优选地，所述光源为紫外光源，所述低阻光增益半导体衬底为SiC，或者所述光源为532nm的绿光，所述低阻光增益半导体衬底为Si、GaAs或GaP，或者所述光源为632nm的红光，所述低阻光增益半导体衬底为Si衬底上的GaAs。
根据本发明的光伏装置，优选地，所述绝缘层为SiO2、SiN。
根据本发明的光伏装置，优选地，所述第一电极和第二电极为金属电极或ITO电极。
根据本发明的光伏装置，优选地，所述金属电极为镂空状。
根据本发明的光伏装置，优选地，还包括分别电连接至所述第一电极和所述第二电极的第一引线和第二引线。
根据本发明的光伏装置，优选地，还包括将所述低阻光增益半导体衬底、所述石墨烯层、所述绝缘层、所述第一和第二电极以及所述第一和第二引线进行封装的封装壳体，其中所述封装壳体具有通光窗口。
本发明还提供了一种采用上述光伏装置产生光伏效应的方法。
本发明的基于石墨烯的光伏装置为平面结构，工艺简单，尺寸小，与现有大规模集成电路工艺兼容性好；光增益衬底材料可以是无机或有机半导体材料，使其在微纳器件和柔性器件中有潜在的应用价值；并且，其中的光增益半导体材料及金属电极材料的选择余地大，制造成本低廉，有广泛的应用前景。
另外，本发明提供的光伏装置采用低阻光增益半导体材料做衬底，综合利用了低阻光增益半导体材料对比其带隙能量高的光子的高效吸收、低阻光增益半导体材料中产生的大量光生载流子快速转移到受辐照的石墨烯和电极上，由此在石墨烯两端的受辐照和未受辐照电极之间建立费米能级差，从而实现光伏效应，光电转换效率高。在短路条件下，由于石墨烯优良的电子输运特性，可以实现对辐照光的超快响应和灵敏探测。因此本发明的光伏器件可以作为无需电源的超快、灵敏光探测器。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1为根据本发明的光伏装置的截面结构示意图；
图2为图1所示的光伏装置中光伏器件100的俯视图；
图3为石墨烯与n型Si异质结界面的能带结构示意图，其中EC、EV和EF分别表示Si的导带、价带和费米能级；
图4为石墨烯与p型Si异质结界面的能带结构示意图，其中EC、EV和EF分别表示Si的导带、价带和费米能级；
图5为金属电极Ti/Au与n型Si异质结界面的能带结构示意图，其中EC、EV和EF分别表示n型Si的导带、价带和费米能级；
图6为金属电极Ti/Au与p型Si异质结界面的能带结构示意图，其中EC、EV和EF分别表示p型Si的导带、价带和费米能级；
图7为以n型Si为衬底，有光照情况下石墨烯与金属电极Ti/Au的能带结构示意图，其中，ΔE为在光子能量为hν(其能量大于光增益半导体的带隙)的光辐照左侧电极的情况下，在石墨烯两端产生的费米能级差；
图8为以p型Si为衬底，在有光照情况下石墨烯与金属电极Ti/Au的能带结构示意图，其中，ΔE为在光子能量为hν(其能量大于光增益半导体的带隙)的光辐照左侧电极的情况下，在石墨烯两端产生的费米能级差；
图9为无光照情况下石墨烯与金属电极Ti/Au的能带结构示意图；
图10为本发明另一示例的光伏装置中的光伏器件的结构示意图；
图11为本发明又一示例的光伏装置中的光伏器件的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明中，“低阻”是指电阻率为10-3～105Ω·cm，并且本领域技术人员公知的是，可以通过改变半导体的掺杂浓度来调节其电阻率，例如高阻SiC晶体可以通过生长高纯SiC或通过钒掺杂补偿剩余载流子实现高阻，而n(p)型的导电SiC可以通过掺杂N、B或Al原子调控其载流子浓度实现不同电阻率的导电SiC，高阻半导体与低阻半导体的根本区别是其电阻率不同。另外，当前，半导体的制作与生产工艺已经非常成熟，各种电阻率的半导体材料都可以在市场上购买到。
本发明提供了一种低阻光增益半导体衬底对辐照光有效吸收的光伏装置。由于低阻光增益半导体衬底材料的厚度远远大于金属电极或石墨烯的厚度，其对辐照光的高效吸收产生的光生载流子能在衬底/金属界面电场或衬底/石墨烯界面电场的作用下快速转移到金属电极或石墨烯上，引起金属电极或石墨烯费米能级的改变，快速在石墨烯两端的金属电极间建立起电压，从而产生光伏电压。而且本发明人还发现，本发明的光伏装置产生的光伏电压实际上是衬底吸收产生的光伏效应以及金属电极和石墨烯的光热电效应的叠加结果，并且后者相比前者几乎可以忽略，所以本发明的光伏装置的光电转换效率远高于现有技术基于光热电效应原理的石墨烯光伏器件的光电转换效率。另外，由于本发明的衬底材料为低阻光增益半导体，所以当接受光辐照时相比高阻光增益半导体会产生更多的光生载流子，这进一步提高了本发明的光伏器件的光电转换效率。
图1示出了根据本发明的光伏装置的截面结构的示意图，光伏装置包括光伏器件100和光源200，其中，光伏器件100包括低阻光增益半导体衬底1；位于低阻光增益半导体衬底1上的绝缘层2；绝缘层2的暴露出低阻光增益半导体衬底1的一部分的开口21；石墨烯层3，所述石墨烯层3的一部分位于所述开口21中的所述低阻光增益半导体1上，另一部分位于所述绝缘层2上；位于开口21中的第一电极41，所述第一电极41的一部分与低阻光增益半导体衬底1接触，另一部分与石墨烯层3接触；位于绝缘层2和石墨烯层3上的第二电极42，所述第二电极42的一部分与石墨烯层3接触，另一部分与绝缘层2接触；以及分别与第一和第二电极41、42电连接的第一和第二引线51、52。图2为图1所示的光伏装置中光伏器件100的俯视图，可以看出，在该实施例中，所述第一电极41为栅状。
本发明的光伏器件中的低阻光增益半导体衬底1除了作为绝缘层2、石墨烯层3和第一、第二电极41、42的支撑衬底外，更重要的是将低阻光增益半导体衬底1作为感光材料，当能量大于所述低阻光增益半导体衬底带隙的光照射到所制备的光伏器件上时，低阻光增益半导体衬底较大的光吸收体积和较低的电阻率增强了对比其带隙能量高的光子能量的吸收，从而在低阻光增益半导体衬底中产生大量的光生载流子。另外，为了隔离低阻半导体衬底的漏电行为，在所述低阻半导体衬底上涂覆绝缘层2。
本发明的光伏器件中的绝缘层2的开口21中的第一电极41除了作为本发明的光伏器件的一个电极外，还接收从低阻光增益半导体衬底1和石墨烯层3向第一电极41转移的光生载流子。根据本发明的实施例，优选地，第一和第二电极41和42为金属电极。由于费米能级在低阻光增益半导体材料与石墨烯以及低阻光增益半导体材料与电极材料在界面处的平衡要求，在界面处形成有利于光生载流子由低阻光增益半导体衬底向石墨烯或电极漂移的电场。该内建电场有助于光生载流子由光增益半导体衬底向石墨烯和电极快速转移。进一步说明，当光照引起光增益半导体衬底向石墨烯层3上的电极41上转移载流子时，由于电极42下的石墨烯层与光增益半导体1被绝缘层2隔开，载流子不能转移至电极42，这样就导致在石墨烯层3的两端电极之间产生费米能级差，从而产生光伏效应。
本发明的光伏器件中的石墨烯层3作为两电极间的连接媒介，其在两个电极41、42之间的尺寸(包括长度和宽度)直接影响光伏电压的大小。原则上，若两个电极41、42之间的石墨烯层越长和越窄，则其光伏效应越突出，本发明的光伏装置的光电转换效率达到3％。另外，在短路条件下，该光伏电压会在石墨烯中产生光电流响应，该光伏器件还可充当超快光电探测器。
以下通过具体示例说明本发明的光伏装置。
参照图1和图2说明本发明的光伏装置的具体示例，其包括光伏器件100和可见光光源200，光伏器件100包括低阻n型或p型掺杂Si衬底1；位于Si衬底1上的SiO2绝缘层2；SiO2绝缘层2的暴露出所述Si衬底的开口21；石墨烯层3，所述石墨烯层3的一部分位于所述开口21中的所述Si衬底1上，另一部分位于所述绝缘层2上；位于开口21中的Ti/Au栅状电极41，所述Ti/Au栅状电极41的一部分与Si衬底1接触，另一部分与石墨烯层3接触；位于绝缘层2和石墨烯层3上的Ti/Au块状电极42，所述Ti/Au块状电极42的一部分与石墨烯层3接触，另一部分与绝缘层2接触；以及分别与第一和第二电极41、42电连接的第一和第二引线51、52。其中，Si衬底1的厚度为350μm；两个电极之间的石墨烯层3的长×宽为100μm×10μm。
实验发现：由于Si带隙小于可见光波段对应的光子能量，当用可见光光源照射到所制备的光伏器件的Ti/Au栅状电极41上时，能够激发照射区Si半导体价带中的电子跃迁到导带；同时，在Si中产生的光生载流子在Si衬底与石墨烯层的界面电场(如图3和图4所示)或Si衬底与Ti/Au栅状电极的界面电场(如图5和图6所示)作用下快速转移到可见光照射的石墨烯层和Ti/Au栅状电极上，致使与石墨烯接触的Ti/Au栅状电极41的费米能级降低(转移空穴，如图3所示)或升高(转移电子，如图4所示)，而绝缘层2上的金属电极42的费米能级不变，则电极41和电极42之间产生电势能差(如图7和图8所示)，从而在开路条件下在电极两端产生几十甚至几百毫伏的电压差。作为对比，图9示出了无光照情况下石墨烯3与金属电极41和42的能带结构示意图。
图10是本发明的另一示例的光伏装置中光伏器件的结构示意图。在该示例中未示出的光源为能量大于2.3eV的532nm的绿光；低阻光增益半导体衬底1采用GaP单晶片；绝缘层2采用SiN薄膜；石墨烯层3采用与上述示例相同的配置；第一电极41为Ti/Au栅状电极，第二电极42为Ti/Au块状电极；第一和第二引线51、52分别与第一和第二电极41、42电连接。其中，GaP单晶片的厚度为300μm；两电极之间石墨烯层的长×宽为50μm×3μm。
图11是本发明的又一示例的光伏装置中光伏器件的结构示意图。在该示例中未示出的光源为包含能量大于Si和GaAs带隙能量的632nm的红光光源；光增益半导体衬底1采用外延生长在导电Si衬底(厚度300μm)上的n型导电GaAs薄膜(其厚度为100nm)；绝缘层2采用SiN薄膜；石墨烯层3采用与上述示例相同的配置；第一电极41和第二电极42皆为透明的ITO电极，光源发出的光辐照开口处的整个电极；第一和第二引线51、52分别电连接至第一和第二电极41、42。其中，两电极之间石墨烯层的长×宽为100μm×10μm。
根据本发明的其他示例，低阻光增益半导体衬底的材料为低阻有机或无机半导体材料；
根据本发明的其他示例，低阻光增益半导体衬底为SiC，光源为紫外光；
根据本发明的其他示例，第一电极与第二电极可为金属电极材料或透明的ITO材料；优选的，为了减小光增益半导体衬底上开口处电极对辐照光源的吸收，开口处的电极形状并不限于栅状，其可为本领域公知的任意形状的镂空结构电极。本领域技术人员可以理解，在本发明中，对电极的具体形状不作任何的限定，并且，所述开口处的电极非镂空也在本发明的保护范围内。
根据本发明的其他示例，当采用多层半导体薄膜作为感光材料时，沿着远离支撑衬底方向的每层半导体薄膜的电子亲和能和禁带宽度依次逐渐增大，这样能够实现在太阳光的照射下所有感光材料能够有效吸收辐照光，并且薄膜中的光生载流子能快速转移到石墨烯和辐照的电极上。本领域技术人员可以理解，在本发明中，对所述的半导体薄膜的层数不作任何的限定；本领域的研究人员可根据本专利的技术思想设计和搭配合适的半导体薄膜材料，实现最大的光伏效应。
根据本发明的其他示例，本发明的光伏器件可以采用本领域公知的引线以外的其他方式连接外电路。
根据本发明的其他示例，本发明的光伏器件还可以包括将光增益半导体衬底、绝缘层、石墨烯层、电极和引线进行封装的封装壳体，所述封装壳体具有通光窗口；且该通光窗口能确保辐照光能有效照射到绝缘层的开口中的电极。
综上所述，本发明提供的光伏装置的光伏效应突出，光电转换效率高，其光伏器件中光增益半导体材料及金属电极材料的选择余地大，器件工艺简单，尺寸小，且与现有大规模集成电路工艺兼容性好，制造成本低廉；
另外，本发明提供的光伏装置综合利用了光增益半导体材料对比其带隙能量高的光子的高效吸收、光增益半导体材料中光生载流子快速转移到石墨烯和电极，并在石墨烯两端的电极之间建立费米能级差，从而实现光伏效应。在短路条件下，由于石墨烯优良的电子输运特性，可以实现对辐照光的超快响应和灵敏探测。因此本发明的光伏器件可以作为无需电源的超快、灵敏光探测器。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。
Claims (10)
1.一种光伏装置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、连续的石墨烯层、第一电极和第二电极，其中，所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上，另一部分位于所述绝缘层上，所述第一电极位于所述开口中，其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触，另一部分与所述石墨烯层接触，所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上，其一部分与所述石墨烯层接触，另一部分与所述绝缘层接触，其中，所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。
2.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述低阻光增益半导体衬底为低阻有机半导体或低阻无机半导体。
3.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述低阻光增益半导体衬底为单一块体或多层半导体薄膜。
4.根据权利要求3所述的光伏装置，其中，所述光源为紫外光源，所述低阻光增益半导体衬底为SiC，或者所述光源为532nm的绿光，所述低阻光增益半导体衬底为Si、GaAs或GaP，或者所述光源为632nm的红光，所述低阻光增益半导体衬底为Si衬底上的GaAs。
5.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述绝缘层为SiO2、SiN。
6.根据权利要求1所述的光伏装置，其中，所述第一电极和第二电极为金属电极或ITO电极。
7.根据权利要求6所述的光伏装置，其中，所述金属电极为镂空状。
8.根据权利要求1所述的光伏装置，还包括分别电连接至所述第一电极和所述第二电极的第一引线和第二引线。
9.根据权利要求8所述的光伏装置，还包括将所述低阻光增益半导体衬底、所述石墨烯层、所述绝缘层、所述第一和第二电极以及所述第一和第二引线进行封装的封装壳体，其中所述封装壳体具有通光窗口。
10.一种采用权利要求1-9中任一项所述的光伏装置产生光伏效应的方法。
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