一種光伏裝置和一種產(chǎn)生光伏效應的方法制造方法及圖紙

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種光伏裝置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，其中，所述光源發(fā)射的光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底的帶隙。該光伏裝置充分利用各組成部分的優(yōu)勢，光電轉(zhuǎn)換效率高。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于半導體
，尤其涉及一種光伏裝置以及一種產(chǎn)生光伏效應的方法。
技術(shù)介紹
自從1947年貝爾實驗室的科學家巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter Brattain)專利技術(shù)了半導體晶體管之后，PN結(jié)作為現(xiàn)代半導體器件的基本結(jié)構(gòu)單元在現(xiàn)代半導體光電組件和系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。基于PN結(jié)原理的光伏效應，貝爾實驗室于1954年第一次做出了光電轉(zhuǎn)換效率為6％的實用單晶硅光伏電池，開創(chuàng)了光伏發(fā)電的新紀元。半個多世紀以來，所有開發(fā)和利用的光伏器件都遵循這一原理。但是，傳統(tǒng)半導體PN結(jié)復雜的器件工藝和較大的器件尺寸限制了其廣泛應用，尤其在微納器件和柔性器件的應用中有較大的局限性。隨著石墨烯新型二維材料的出現(xiàn)，石墨烯優(yōu)異的光電性能和只有單原子層的厚度為基于石墨烯的器件提供了機會。2010年Thomas Mueller等人在nature Photonics上發(fā)表的“Graphene photodetectors for high-speed optical communications”以及2013年Rujie Sun等人在Applied Physics Letters上發(fā)表的“Tunable photoresponse of epitaxial graphene on SiC”分別公開了一種基于石墨烯的光伏器件，但是這兩篇文獻中，光伏效應的產(chǎn)生都基于光熱電效應，要求光伏器件的襯底盡可能對輻照光沒有吸收作用，這樣就大大限制了光源的選擇范圍。同時，在上述文獻中對輻照光的吸收是通過金屬或石墨烯來實現(xiàn)的。由于光熱電效應的特點以及石墨烯單原子層厚的特征，現(xiàn)有技術(shù)中基于石墨烯的光伏器件對輻照光的吸收率僅有2.3％，光電轉(zhuǎn)換效率低。
技術(shù)實現(xiàn)思路
因此，本專利技術(shù)的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種充
分利用各組成部分(包括襯底、金屬電極和石墨烯)優(yōu)勢的高靈敏光伏裝置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，其中，所述光源發(fā)射的光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底的帶隙。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述高阻光增益半導體襯底為高阻有機半導體或高阻無機半導體。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述高阻光增益半導體襯底為單一塊體或生長在襯底上的半絕緣薄膜。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述光源為紫外光源，所述高阻光增益半導體襯底為SiC，或者所述光源為可見光源，所述高阻光增益半導體襯底為GaP或GaAs。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述高阻光增益半導體襯底的厚度大于50nm。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述石墨烯層在所述第一電極和所述第二電極間的長度大于3μm。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述第一電極和所述第二電極為金屬電極。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述金屬電極的電子功函數(shù)與所述高阻光增益半導體襯底的電子功函數(shù)的差大于0.1eV。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，所述第一電極和所述第二電極采用相同的金屬。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，還包括所述第一電極或者所述第二電極之上的不透光的涂覆層。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，還包括分別電連接至所述第一電極和所述第二電極的第一引線和第二引線。根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置，優(yōu)選地，還包括將所述高阻光增益半導體襯底、所述石墨烯層、所述第一和第二電極以及所述第一和第二引線進行封裝的封裝殼體，其中所述封裝殼體具有通光窗口。本專利技術(shù)還提供了一種產(chǎn)生光伏效應的方法，包括采用光源輻照光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述方法包括：用其光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底帶隙的光源照射所述光伏器件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的光伏裝置充分利用了石墨烯器件的支撐襯底對比其帶隙能量高的輻照光的有效吸收，產(chǎn)生的大量載流子快速轉(zhuǎn)移到石墨烯器件的金屬電極上，如果光伏裝置的合適配置使得在石墨烯電極兩端建立電壓差，就會產(chǎn)生光伏效應。由于石墨烯器件的支撐襯底是體材料或薄膜材料，其對輻照光的吸收強。相對于現(xiàn)有技術(shù)方案，本專利技術(shù)的光伏裝置的光伏效應更明顯，光電轉(zhuǎn)換效率更高。本專利技術(shù)的光伏裝置可廣泛應用于有機、無機半導體材料體系制備柔性、微納尺度的光伏元器件。特別是在短路情況下，該光伏裝置還可作為無需外部電源的超快、靈敏光探測器。附圖說明以下參照附圖對本專利技術(shù)的實施例作進一步說明，其中：圖1為根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置的截面結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為圖1所示的光伏裝置中光伏器件100的俯視圖，未示出引線；圖3為金屬電極Ti與SiC異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中EC、EV和EF分別表示SiC的導帶、價帶和費米能級；圖4為有光照情況下石墨烯與金屬電極Ti的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中，ΔE為在光子能量為hν(其能量大于高阻光增益半導體的帶隙)的光輻照左側(cè)電極的情況下，在石墨烯兩端產(chǎn)生的費米能級差；圖5為無光照情況下石墨烯與金屬電極Ti的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為石墨烯與SiC異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本專利技術(shù)的具體示例的光伏器件在短路條件下的光電流響應曲線；圖8為本專利技術(shù)另一示例的光伏裝置中的光伏器件結(jié)構(gòu)的俯視示意圖；圖9為本專利技術(shù)又一示例的光伏裝置中的光伏器件結(jié)構(gòu)的截面結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式為了使本專利技術(shù)的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本專利技術(shù)進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術(shù)，并不用于限定本專利技術(shù)。為了充分利用和挖掘基于石墨烯的光伏器件中所有參與部件的作用，本專利技術(shù)提出了一種襯底對輻照光可吸收的光伏裝置。由于襯底材料的厚度遠遠大于金屬電極或石墨烯的厚度，其對輻照光的高效吸收產(chǎn)生的光生載流子能在襯底/金屬界面電場和襯底/石墨烯界面電場的作用下快速轉(zhuǎn)移到金屬電極或石墨烯，引起金屬電極或石墨烯費米能級的改變。通過采用非對稱的金屬電極或者非對稱的輻照光，本專利技術(shù)的光伏裝置在襯底可吸收的輻照光的照射下，快速在石墨烯兩端的金屬電極間建立起電壓，從而產(chǎn)生光伏電壓。而且本專利技術(shù)人還發(fā)現(xiàn)，本專利技術(shù)的光伏裝置產(chǎn)生的光伏電壓實際上是襯底吸收產(chǎn)生的光伏效應以及金屬電極和石墨烯的光熱電效應的疊加的結(jié)果，并且后者相比前者幾乎可以忽略，所以本專利技術(shù)的光伏裝置的光電轉(zhuǎn)換效率遠高于現(xiàn)有技術(shù)的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。第一實施例圖1示出了根據(jù)本專利技術(shù)的光伏裝置的截面結(jié)構(gòu)的示意圖，包括光伏器件100和用于輻照光伏器件100的光源200，光伏器件100包括高阻光增益半導體襯底1，位于高阻光增益半導體襯底1上的石墨烯層2，位于高阻光增益半導體襯底1和石墨烯層2上的第一電極31和第二電極32，以及分別與第一、第二電極31、32電連接的第一本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種光伏裝置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，其中，所述光源發(fā)射的光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底的帶隙。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種光伏裝置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，其中，所述光源發(fā)射的光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底的帶隙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其特征在于：所述高阻光增益半導體襯底為高阻有機半導體或高阻無機半導體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其特征在于：所述高阻光增益半導體襯底為單一塊體或生長在襯底上的半絕緣薄膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其特征在于：所述光源為紫外光源，所述高阻光增益半導體襯底為SiC，或者所述光源為可見光源，所述高阻光增益半導體襯底為GaP或GaAs。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的光伏裝置，其特征在于：所述高阻光增益半導體襯底的厚度大于50nm。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其特征在于：所述石墨烯層在所述第一電極和所述第二電極間的長度大于3μm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏裝置，其特征在于：所述第一電極和所述第二電極為...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：郭麗偉，陳小龍，
申請(專利權(quán))人：中國科學院物理研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11