CN108807584A - 一种GaAs-锑烯异质结太阳电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太阳能电池的技术领域，公开了一种GaAs‑锑烯异质结太阳电池及其制备方法。所述GaAs‑锑烯异质结太阳能电池由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。本发明通过在GaAs片上通过分子束外延方式直接生长二维原子晶体材料锑烯，制备的太阳电池具有GaAs/锑烯异质结，锑烯层与GaAs之间形成良好的带隙匹配，实现太阳能电池高的光电转换效率。

Description

一种GaAs-锑烯异质结太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池的技术领域，具体涉及一种GaAs-锑烯异质结太阳电池及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种由碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，具有高电导率，高透光度，高电子迁移率，功函数可调等优点，可被用来制备高电子迁移率晶体管等光电器件。然而，以石墨烯为代表的IV族元素二维原子晶体材料带隙为零或趋近于零，极大地限制了其在光电子领域中的应用前景。石墨烯与GaAs接触可以形成肖特基接触，利用肖特基结可以制备太阳能电池。但是石墨烯-GaAs肖特基结太阳电池的光电转换率仍有待提高。硅太阳电池也是如此，其光电性能也有待改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新结构的太阳电池GaAs-锑烯异质结太阳电池。本发明的GaAs-锑烯异质结太阳电池不仅工艺简单成本低，而且明显提高太阳电池的光电转换效率。
本发明的另一目的在于提供上述GaAs-锑烯异质结太阳电池的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种GaAs-锑烯异质结太阳能电池，由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。
所述锑烯层生长完后，需将生长完锑烯层的GaAs衬底进行退火处理。退火的温度为150～500℃，退火的时间为5～30分钟。
所述背电极为常规的电极材料，优选为金电极、银电极或铝电极；厚度为50～400nm。
所述顶电极为常规的电极材料，优选为导电银胶或银丝；厚度为100～3000nm。
所述GaAs衬底为GaAs外延片，优选为N型GaAs片，GaAs片的电子浓度为1×1017-9×1017cm-3。
所述锑烯层的层数为1～10层。
所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，还包括GaAs重构层，所述GaAs重构层位于GaAs衬底和锑烯层之间。所述GaAs重构层的厚度为0.5～5μm。
所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)在GaAs衬底的一面镀上背电极，将GaAs衬底中镀有背电极的一面称为下表面，另一面称为上表面；
(2)采用分子束外延法，在GaAs衬底的上表面生长GaAs重构层；
(3)采用分子束外延(MBE)法，在GaAs重构层表面生长锑烯层；
(4)在锑烯层上制备顶电极。
步骤(1)中在GaAs衬底的一面镀上背电极，具体步骤为：
(S1)镀背电极：将GaAs晶圆上蒸镀一层金属，作为背电极；所述金属为常规的电极材料；背电极的厚度为50～400nm；
(S2)切割：将镀有背电极的GaAs晶圆采用激光线切割成方片，然后去除方片表面的杂质，获得一面镀有背电极的GaAs片。
所述去除方片表面的杂质是指将切割好的GaAs片依次采用丙酮、乙醇中超声清洗，然后用超纯水清洗，再采用稀盐酸溶液处理，超纯水清洗，并吹干。
步骤(2)中所述GaAs重构层的具体制备条件为：采用分子束外延方法生长，生长温度为300-800℃，生长速率为200-600nm/h，生长过程中的Ga源束流为：1×10-7～9×10- 7torr，As源束流为：3×10-6～5×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：0.5-5μm。
步骤(3)中所述采用分子束外延法在GaAs重构层表面生长锑烯的条件为：生长过程中MBE生长室的真空度为1×10-9～1×10-10mbar，衬底温度为300～800℃，生长过程中锑源束流为：1×10-7～1×10-6torr，生长时间为：5～30分钟，锑烯的层数为1～10层。由于GaAs(111)的晶格常数与锑烯的理论晶格常数十分接近，在GaAs的表面会生长出锑烯。
步骤(3)中所述锑烯层在生长完后需进行退火处理。
所述退火的温度为150～500℃，退火的时间为5～30分钟。
步骤(4)中所述顶电极为常规的电极材料，优选为银；所述顶电极具体是将导电银胶涂在锑烯上，烘干。所述烘干的条件于热板上40～120℃干燥3～30min。所述正电极为正方形、圆形、环形或其他形状，优选为正方形。
二维原子晶体锑烯(Antimonene)，单层锑烯的禁带宽度为2.28eV，同时锑烯具有比石墨烯更高的电子迁移率，锑烯在空气中具有非常高的化学稳定性，暴露空气后不会被氧化。本发明在GaAs衬底上(或者GaAs重构层上)直接生长二维原子晶体材料锑烯，形成了GaAs/锑烯异质结，该异质结具有优异的光生伏特效应。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过在GaAs片上通过分子束外延方式直接生长二维原子晶体材料锑烯，并制备基于GaAs/锑烯异质结的太阳电池，由于单层锑烯是直接带隙半导体材料，具有理想的禁带宽度，单层锑烯约2.28eV，且与GaAs之间形成良好的带隙匹配，可有效的起到分离电子空穴对的作用，从而减少电子和空穴的复合，最终实现太阳能电池高的光电转换效率；
(2)本发明的制备方法简单有效，器件制备工艺成本低，电池光电转换效率明显提高。
附图说明
图1为本发明的GaAs-锑烯肖特基结太阳电池的结构示意图；
图2为实施例1的GaAs-锑烯异质结太阳电池的电流-电压关系曲线；退火前表示GaAs-锑烯异质结太阳电池中生长完锑烯层未进行退火处理，退火后表示GaAs-锑烯异质结太阳电池中生长完锑烯层进行了退火处理。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
一种GaAs-锑烯异质结太阳能电池的结构示意图如图1所示，由下至上依次包括背电极1、GaAs衬底2、锑烯层3、顶电极4。
所述背电极为常规的电极材料，优选为金电极、银电极或铝电极；厚度为50～400nm。所述顶电极为常规的电极材料，优选为导电银胶或银丝；厚度为100～3000nm。
所述GaAs衬底为GaAs外延片，优选为N型GaAs片，GaAs片的电子浓度范围为1×1017-9×1017cm-3。
所述锑烯层的层数为1～10层。
所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，还包括GaAs重构层，所述GaAs重构层位于GaAs衬底和锑烯层之间。所述GaAs重构层的厚度为0.5～5μm。
实施例1
本实施例的GaAs-锑烯异质结太阳电池的结构，由下至上依次包括底部金电极(背电极)、n型GaAs衬底、GaAs重构层、锑烯层和导电银胶电极(顶电极)。
本实施例的一种GaAs-锑烯异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护(一是固定n型GaAs晶片衬底在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘)，将衬底放进电子束蒸发系统，蒸镀金电极；金电极的厚度为150nm；
(2)切割：将镀好金电极的n型GaAs晶片衬底采用激光线切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗n型GaAs衬底：将切割好的n型GaAs衬底依次置于丙酮和乙醇中超声清洗，各自清洗10分钟；用超纯水冲洗3遍后，放进稀盐酸处理3分钟；最后是用超纯水冲洗n型GaAs衬底表面5遍后，氮气枪吹干衬底表面待用；
(4)蒸镀GaAs重构层：将清洗干净的GaAs衬底放入分子束外延系统，GaAs衬底上表面(GaAs衬底中镀有金电极的一面称为下表面，另一面称为上表面)生长GaAs重构层，生长温度为650℃，生长速率为400纳米每小时，生长过程中的Ga源束流为：5×10-7torr，As源束流为：2×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：600纳米；
(5)在GaAs重构层上生长锑烯层：生长前MBE生长室的真空度为1×10-10mbar，生长过程中衬底温度为450℃，生长过程中锑源束流为：2×10-7torr，生长时间为10分钟，锑烯的层数为2层；
(6)退火处理：将生长完锑烯的GaAs衬底在MBE系统中400℃原位退火15分钟，提高锑烯的晶体质量；
(7)制备顶电极：在锑烯的表面边缘贴胶带，然后在锑烯的边缘用注射器制备一层导电银胶，注意导电银胶不能碰到n型GaAs，只能在锑烯上面(贴胶带的作用就是防止导电银胶接触n型GaAs表面)，导电银胶的厚度为500纳米，最后，60℃下烘烤导电银胶约10min，烘干导电银胶。
图2为GaAs-锑烯异质结太阳电池的J-V曲线，退火前表示GaAs-锑烯异质结太阳电池中生长完锑烯层未进行退火处理，退火后表示GaAs-锑烯异质结太阳电池中生长完锑烯层进行了退火处理。退火前制备出的GaAs-锑烯异质结太阳电池空白对照组的填充因子为60％，转换效率为11.12％；生长完锑烯后400℃原位退火15分钟后，该GaAs-锑烯异质结太阳能电池的填充因子提高到62％，转换效率提高到15.07％，太阳能电池的性能显著改善。
本发明的GaAs-锑烯肖特基结太阳电池通过采用MBE技术在n型GaAs表面直接生长二维原子晶体锑烯，利用GaAs-锑烯形成良好的异质结并制备太阳电池，由于锑烯具有合适的能带(2.28eV)，优异的光电性能和良好的稳定性，利用GaAs-锑烯良好的异质结性能可以一方面提高对非平衡载流子的分离效率，同时锑烯具有较高的载流子迁移率，可以提高对载流子的收集效率。因此，本发明制备的基于二维原子晶体锑烯的太阳能电池，具有较高的光电转换效率。
实施例2
本实施例的GaAs-锑烯异质结太阳电池的结构，由下至上依次包括底部金电极(背电极)、n型GaAs衬底、GaAs重构层、锑烯层和导电银胶电极(顶电极)。
本实施例的一种GaAs-锑烯异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，然后将衬底放进电子束蒸发系统，蒸镀金电极，金电极的厚度为200nm；
(2)切割：将镀好金电极的n型GaAs晶片衬底采用激光线切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗n型GaAs衬底：将切割好的n型GaAs衬底依次置于丙酮和乙醇中超声清洗，各自清洗10分钟；用超纯水冲洗3遍后，放进稀盐酸处理3分钟；最后是用超纯水冲洗n型GaAs衬底表面5遍后，氮气枪吹干衬底表面待用；
(4)蒸镀GaAs重构层：将清洗干净的GaAs衬底放入分子束外延系统，生长GaAs重构层，生长温度为600℃，生长速率为450纳米每小时，生长过程中的Ga源束流为：6×10-7torr，As源束流为：3×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：900纳米；
(5)在GaAs重构层上生长锑烯层：生长前MBE生长室的真空度为2×10-10mbar，生长过程中衬底温度为400℃，生长过程中锑源束流为：2×10-7torr，生长时间为20分钟，锑烯的层数为4层；
(6)退火处理：将生长完锑烯的GaAs衬底在MBE系统中400℃原位退火15分钟，提高锑烯的晶体质量；
(7)制备顶电极：在锑烯的表面边缘贴胶带，然后在锑烯的边缘用注射器制备一层导电银胶，注意导电银胶不能碰到n型GaAs，只能在锑烯上面(贴胶带的作用就是防止导电银胶接触n型GaAs表面)，导电银胶的厚度为800纳米，最后，70℃下烘烤导电银胶约15min，烘干导电银胶。
实施例3
本实施例的GaAs-新型二维原子晶体锑烯异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护，然后将衬底放进电子束蒸发系统，蒸镀金电极，金电极的厚度为150nm；
(2)切割：将镀好金电极的n型GaAs晶片衬底采用激光线切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗n型GaAs衬底：将切割好的n型GaAs衬底依次置于丙酮和乙醇中超声清洗，各自清洗10分钟；用超纯水冲洗5遍后，放进稀盐酸处理4分钟；最后用超纯水冲洗n型GaAs衬底表面5遍后，氮气枪吹干衬底表面待用；
(4)蒸镀GaAs重构层：将清洗干净的GaAs衬底放入分子束外延系统，生长GaAs重构层，生长温度为650℃，生长速率为350纳米每小时，生长过程中的Ga源束流为：3×10-7torr，As源束流为：2×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：500纳米；
(5)在GaAs重构层上生长锑烯层：生长前MBE生长室的真空度为1×10-10mbar，生长过程中衬底温度为420℃，生长过程中锑源束流为：3×10-7torr，生长时间为15分钟，锑烯的层数为3层；
(6)退火处理：将生长完锑烯的GaAs衬底在MBE系统中500℃原位退火15分钟，提高锑烯的晶体质量；
(7)制备顶电极：在锑烯的表面边缘贴胶带，然后在锑烯的边缘用注射器制备一圈导电银胶，导电银胶的厚度为900纳米，为防止器件短路，制备过程中导电银胶不能碰到n型GaAs，只能覆盖在锑烯上面，最后，65℃下烘烤导电银胶约5min，烘干导电银胶。
实施例4
本实施例的GaAs-锑烯异质结太阳电池的结构，由下至上依次包括背电极(金电极)、n型GaAs衬底、锑烯层和导电银胶电极。
本实施例的一种GaAs-锑烯异质结太阳电池的制备方法，包括以下步骤：
(1)背面电极的制备：将2英寸n型GaAs晶片衬底贴在圆盘上，GaAs晶片四周用胶带保护(一是固定n型GaAs晶片衬底在圆盘上，二是防止电极镀到圆片的边缘)，将衬底放进电子束蒸发系统，蒸镀金电极；
(2)切割：将镀好金电极的n型GaAs晶片衬底采用激光线切割成约一平方厘米大小的方片；
(3)清洗n型GaAs衬底：将切割好的n型GaAs衬底依次置于丙酮和乙醇中超声清洗，各自清洗10分钟；用超纯水冲洗3遍后，放进稀盐酸处理3分钟；最后是用超纯水冲洗n型GaAs衬底表面5遍后，氮气枪吹干衬底表面待用；
(4)在GaAs衬底表面生长锑烯层：生长前MBE生长室的真空度为1×10-9mbar，生长过程中衬底温度为450℃，生长过程中锑源束流为：2×10-7torr，生长时间为10分钟，锑烯的层数为2层；
(5)退火后处理：将生长完锑烯的GaAs衬底在MBE系统中400℃原位退火15分钟，提高锑烯的晶体质量；
(6)制备顶电极：在锑烯的表面边缘贴胶带，然后在锑烯的边缘用注射器制备一层导电银胶，注意导电银胶不能碰到n型GaAs，只能在锑烯上面(贴胶带的作用就是防止导电银胶接触n型GaAs表面)，导电银胶的厚度为500纳米，最后，60℃下烘烤导电银胶约10min，烘干导电银胶。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：由下至上依次包括背电极、GaAs衬底、锑烯层、顶电极。
2.根据权利要求1所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs衬底为N型GaAs片；GaAs片的电子浓度为1×1017-9×1017cm-3；
所述锑烯层的层数为1～10层。
3.根据权利要求1所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述背电极为常规的电极材料；厚度为50～400nm；
所述顶电极为常规的电极材料；厚度为100～3000nm。
4.根据权利要求1所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，还包括GaAs重构层，所述GaAs重构层位于GaAs衬底和锑烯层之间。
5.根据权利要求4所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池，其特征在于：所述GaAs重构层的厚度为0.5～5μm。
6.根据权利要求1～5任一项所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在GaAs衬底的一面镀上背电极，将GaAs衬底中镀有背电极的一面称为下表面，另一面称为上表面；
(2)采用分子束外延法，在GaAs衬底的上表面生长GaAs重构层；
(3)采用分子束外延法，在GaAs重构层表面生长锑烯层；
(4)在锑烯层上制备顶电极。
7.根据权利要求6所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述采用分子束外延法在GaAs重构层表面生长锑烯的条件为：生长过程中MBE生长室的真空度为1×10-9～1×10-10mbar，衬底温度为300-800℃，生长过程中锑源束流为：1×10-7～1×10-6torr，生长时间为：5-30分钟，锑烯的层数为1～10层。
8.根据权利要求6所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述锑烯层在生长完后需进行退火处理。
9.根据权利要求8所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述退火的温度为150～500℃，退火的时间为5～30分钟。
10.根据权利要求6所述GaAs-锑烯异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述GaAs重构层的具体制备条件为：采用分子束外延方法生长，生长温度为300-800℃，生长速率为200-600nm/h，生长过程中的Ga源束流为：1×10-7～9×10-7torr，As源束流为：3×10-6～5×10-5torr，GaAs重构层的厚度为：0.5-5μm。
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