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二维层状半导体太阳能光伏应用程序/石墨烯异质结构
肖特基由石墨烯形成的屏障(单层、双层和多层)2 d分层半导体二硫化钨(WS2)纳米片探索太阳能收集。石墨烯-WS2肖特基结的特点明显不同与二硫化钨石墨烯层的数量,导致太阳能电池性能的差异。与单层或多层双层石墨烯相比,多层石墨烯有助于实现改善太阳能电池性能优良的导电性。所有分层的材料肖特基太阳能电池采用二硫化钨作为光敏半导体展览有效光子吸收在可见光谱范围内,收益率报3.3%光电转换效率与多层石墨烯的肖特基接触。航空运输在石墨烯/ WS2接口和界面复合过程肖特基势垒的太阳能电池的研究。
介绍
最近,2 d分层半导体已经迅速成为一个新的类功能材料的各种应用,如纳电子学、1 - 6太阳能电池,7 – 9光电探测器10-12和能源存储。如果等与传统的半导体相比,13 - 16 17砷化镓,18 CdTe,19,CuInSe2 20机械灵活性,21可调光学带隙、22和高载波流动性23几个有趣的属性,需要考虑2 d分层半导体太阳能收集潜在候选人。二硫化钨(WS2),一个2 d分层半导体家族成员,最近探索各种纳米器件应用。26其可调光电子特性提供了独特的机会在发展中高效的太阳能光伏技术。二维层状半导体的主要优势,如提高光反应层依赖光学/电学性质,为各种光电应用27-28
很明显,通过改变二维半导体层的数量在一个堆栈,光子具有宽光谱范围生成电子可以收获。在二维半导体,弱的范德华力将单个原子飞机联系在一起,而牢固的共价键存在于每个晶面。29这允许容易剥落的二维晶体制造设备。然而,剥落过程30-31日收益率床单
只是一个小区域。最近,化学蒸汽沉积(CVD)方法已经证明了大面积的增长。另一方面,石墨烯的优越的性能,如高载波流动性35和微不足道的光吸收36在可见光谱范围内被认为是太阳能电池的关键优点。37石墨烯的特征之间的差异在很大程度上单层,双层和多层石墨烯。38石墨烯堆叠与二维半导体异质结构一直在探索电子演示应用程序将两种材料优势合并的可能性。39-42
肖特基势垒的太阳能电池的结构和制造工艺相对简单,与pn相比,p i n,串联太阳能电池,只有金属半导体结建立在耗尽半导体地区内建电场。最近,非凡的光子吸收据报道在2 d半导体只有几个原子层。43在肖特基势垒的太阳能电池,一个强大的电场在金属/半导体结,没有缺陷界面(为了避免费米能级钉),高效光吸收和航空运输是实现高绩效的关键因素。一般来说,二维层状半导体展览自动终止原子飞机没有在表面不饱和晃来晃去的债券,这有助于在促进形成一个高质量的界面,实现高效的载波传输界面陷阱都小得可以忽略不计。在本研究论文中,我们研究石墨烯的特点/ WS2肖特基势垒的太阳能电池结构。石墨烯的影响分层配置在肖特基势垒的太阳能电池的光电性能检查。
实验
化学气相沉积二硫化钨纳米片
钨(W)薄膜的厚度sim;30 nm被电子束蒸发沉积SiO2-coated硅基质上。W-coated基质被下游的CVD石英管室。硫粉(纯度99.99%)被放置在室上游。硫在115°C蒸发200 sccm氩气作为载气的流程。室的压力维持在1托。Solid-vapour钨表面之间的反应和硫磺蒸汽导致WS2纳米片 Si /二氧化矽基板。1000°C气割后退火治疗进行了一个小时来提高二硫化钨样品的结晶度。图1的示意图(一个)显示CVD炉设置用于WS2增长。注意这两个温度区用于蒸发硫和二硫化钨增长。图1(b)是一个典型样本的照片显示大面积增长WS2二氧化矽。图1(c)说明了平面六角晶格结构WS2 W和S原子组成的二维晶体平面。聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)对二硫化钨涂层,作为辅助材料,以促进转移的过程。样品在90°C退火5分钟。氢氧化钾(KOH)用于刻蚀二氧化硅层,释放二硫化钨纳米片KOH的硅基板,使其自由浮动。自由浮动WS2纳米片是手动从KOH转移到铝(Al)镀膜玻璃衬底的太阳能电池制造。这个方法是可行的大面积种植的样本2 d半导体。二氧化硅的蚀刻率是由KOH浓度决定。一个快速腐蚀速率可能会影响二维半导体的材料质量。因此,重要的是使用一个无缝的蚀刻过程对WS2纳米片过程诱导影响降到最低。
石墨烯化学气相沉积
增长的单层和多层石墨烯是由CVD方法使用铜和镍作为基质,分别。甲烷和氢气气体使用等优点
为主的溶解度的碳铜和镍基板,分别导致单层和多层的石墨烯。生长温度为1000°C对单层和多层石墨烯的生长。有机层涂布在石墨烯生长铜和镍基板旋转涂布方法在2000 rpm 1分钟,紧随其后的是烤5分钟的90°C。的铜和镍基板被FeCl3蚀刻的解决方案。然后分离石墨烯膜转移到去离子水去除表面过度FeCl3。随后,PMMA-supported单层和多层石墨烯层转移到WS2纳米片太阳能电池制造。将石墨烯转移后, 聚甲基丙烯酸甲酯被丙酮溶解。
材料表征
拉曼光谱的激光激发波长532 nm(Horiba科学)进行研究。随着WS2纳米片,和单层、双层、多层石墨烯的增长，涂在玻璃衬底,WS2纳米片受到紫外/可见吸收测量获得的值光学带隙和透光率使用Camspec M550双光束扫描UV / Vis分光光度计(在200 nm - 900 nm)的光谱范围。的表面轮廓WS2纳米片被维度分析3100原子力显微镜(AFM)。
太阳能电池制造和表征
Al 100纳米薄膜是由电子束蒸发沉积在三个玻璃基板的方法。CVD-grown WS2纳米片被转移到每个Al-coated玻璃基板由一个手动转移过程。单层、双层和多层石墨烯薄片,合成了CVD方法,随后被转移到三个Al-coated基质。堆叠结构玻璃/铝/二硫化钨/石墨烯在100°C五分钟退火去除多余的溶剂中样本。在我们的实验中,单层和多层石墨烯表都是成年人在铜和镍箔,分别。双层石墨烯是通过叠加两个单层石墨烯生长在铜。三个肖特基势垒的太阳能电池,拥有不同的堆叠结构(i)玻璃/铝/二硫化钨/单层石墨烯,(ii)玻璃/铝/二硫化钨/双层石墨烯,和(3)玻璃/铝/二硫化钨/多层石墨烯,是探索材料界面特征属性和光电特性。结合图2显示了一个示意图的制作三个肖特基势垒的太阳能电池采用WS2纳米片作为光敏半导体单层、双层和多层石墨烯的肖特基接触。电流密度与电压。肖特基势垒的电压(jv)特征测量太阳能电池在黑暗的条件和标准是1.5照明使用安捷伦B1500A半导体器件分析仪。校准Xe弧灯是用来模拟自然太阳能灯。肖特基势垒的太阳能电池是照亮通过石墨烯接触,如图2所示。
结果与讨论
AFM特征进行化学气相沉淀合成WS2纳米片检查表面属性。30times;30mu;m2表面形貌扫描WS2纳米片生长在硅/二氧化硅图3所示。明显的区别是观察在二氧化硅表面和CVD WS2纳米片之间。在相同的扫描区域,相位图像生成,显示重要的两种材料之间的对比,显示在图3(b)。AFM线扫描测量也进行了二硫化钨纳米片样本。的平均价值被认为是二氧化矽衬底WS2纳米片确认的厚度WS2纳米片sim;37海里,如图3(c)。
拉曼光谱进行了测量研究单层、双层和多层石墨烯表。单层石墨烯的主要特征峰被观察到1582厘米minus;1和2679厘米minus;1。G和2 d之间的强度比峰值证实它是单层字母,如图4所示。在双层石墨烯中,G和2 d峰强度却观察到几乎相同,见图4(b)。多层石墨烯获得镍箔显示主要G山峰,如图4中所示(c)。2 d和G山峰之间的强度比单层、双层和多层石墨烯表计算,图4所示(d)。众所周知,在石墨烯二维峰来源于双共振电子声子散射单层之间表现出显著差异,双层和多层石墨烯。
预计G峰的强度随石墨烯层的数量。如图4 (c),G多层石墨烯的峰值是所有石墨烯样品中最强的。的位置和半宽度G-peak不敏感层的数量。它源于面内振动的sp2碳双重退化声子模式中心的布里渊区。然而,2 d显示峰值显著变化由于多层石墨烯的能带结构的变化。我们也注意到,这三个样品没有显示明显的D在拉曼光谱峰,确认合理的高质量的石墨烯。应该注意的是,2 d的比值和G峰值随石墨烯层的数量,见图4(d)。单层石墨烯的比例远高于与双层和多层石墨烯表相比,多层展示的最小值在所有样本中,如图4 (d)。
两个强烈的WS2观察活跃的振动模式。我们确认的主要振动拉曼模式化学气相沉积合成样本峰的消失在sim;421.3厘米minus;1(A1g模式)。峰值352.8sim;厘米minus;1无偏振依赖E1 2 g模式。图5(一个)显示在WS2纳米片样本获得的拉曼光谱的波数范围300厘米minus;1 - 500厘米minus;1。E1 2 g峰值(352.8厘米minus;1)代表平面WS2晶格原子振动,而A1g峰值(421.3厘米minus;1)与平面外关联振动模式。E1 2 g模式涉及平面位移的过渡金属和硫族元素原子,而A1g模式仅涉及硫族元素原子。两个拉曼活性振动模式的示意图WS2见图5(b)。获得的值代表的峰值略有不同,相比那些大部分晶体(355厘米minus;1和421厘米minus;1,分别)。非常轻微的转变可能是无意的杂质表面呈现内容。
拉曼光谱上的洛伦兹执行双峰值适合从三个纳米片获得样品中提取的值应用,和典型的拟合图5所示(c),进行样本2。两个洛伦兹适合产量峰值对应于实验数据在签名值。所有的三个样本显示应用值大约为E1 2 g和8sim;18 A1g,分别表明化学气相沉积生长WS2纳米片在本质上是高度结晶的结构变形可以忽略不计(可以在二氧化硅湿蚀刻步骤,介绍了随后转移过程在不同基质)。后处理,即。在1000°C,退火后的增长,有助于形成高度结纳米片。图5(d)显示了计算不同波数的E1 2 g和A1g振动模式的三个样品。几乎相等的不同波数的值表明这三个纳米片样本具有几乎相同的特点,合成了同样的增长过程。
三个WS2纳米片玻璃衬底的连续转换到使用光学吸收光谱进行表征。从AFM分析测量,确认每个纳米片厚约sim;37海里,因此传输过程产生一个111纳米堆栈。WS2堆栈的紫外可见吸收测量被用于后续制造太阳能电池的石墨烯作为肖特基接触。图6显示了测量光学透光率的WS2 纳米片200 nm - 900 nm的波长范围。纳米片展览的最大光透射率sim;43%长波长区域,显示非常高效的光吸收在可见光谱窗口。相对应的光吸收光谱透射率是图6所示。强劲光吸收波长范围从200纳米到200纳米表明太阳能收集WS2纳米片是可取的。我们也计算了光学带隙的WS2纳米片测量光学透光率使用Tauc阴谋方法。其中alpha;是吸收系数的WS2纳米片高压是入射光子能量,如光学带隙(决定光吸收光谱范围)。计算能带sim;1.3 eV的透过率光谱图6所示。
三个肖特基势垒的太阳能电池(电池1与单层石墨烯在WS2、电池2双层石墨烯在二硫化钨产业与多层石墨烯和cell-3 WS2)是在黑暗条件下特征和AM1.5照明。石墨烯诱导WS2纳米片肖特基势垒是用于开发电场在石墨烯/ WS2结,用于高效太阳能电池的电子空穴对分离。的内建电场graphene-WS2连接点对二硫化钨石墨烯的联系。因此,电子传递发生在相反的方向,从二硫化钨欧姆接触。在价带空穴生成的二硫化钨纳米片运输对石墨烯联系沿着电场方向。
图7(一个)显示的jv特征三个设备AM1.5照明校准标准的太阳能电池。输出功率特性的函数应用电压图7(b)所示。肖特基势垒太阳能电池采用单层石墨烯作为接触二硫化钨(电池1)展览的主要设备指标JSC(短路电流密度)、VOC(开路电压),PMAX(最大功率)和eta;马(photo-conversion效率)9.2厘米minus;2,640 mV,1.6times;10minus;3 W,分别和2.3%。电池2(双层石墨烯接触WS2)显示JSC,VOC,PMAX马和eta;为14.2厘米minus;2,680 mV,2times;10minus;3 W,2.9%。JSC cell-3(多层石墨烯的联系),VOC,PMAX马和eta;是16厘米minus;2,700 mV,2.3times;10minus;3 W,3.3%。应该注意的是,太阳能电池性能指标的变化只影响石墨烯的接触(由不同数量的层),WS2纳米片厚度保持不变。同时改进太阳能电池的性能预计通过增加WS2纳米片厚度,
肖特基势垒的JSC特征测量太阳能电池在不同的光照条件下,如图7所示(c)。近线性增加与入射光强度JSC是观察到的所有三个设备。图像光载波一代明显受到入射光强度的影响,因此大大改变JSC价值。大增加JSC是肖特基势垒观察与多层石墨烯太阳能电池接触是与其他两个设备相比,表明多层石墨烯是可取的肖特基势垒接触配置太阳能电池。
图7(d)总结了测量太阳能电池的关键指标(JSC,VOC和eta;)三个肖特基势垒的太阳能电池与单层,双层和多层石墨烯的联系人。Cell-3显示例外值在挥发性有机化合物与电池1和电池2相比,提供了一个了解的主要变化准费米能级分裂由于光学照明。JSC值的差异在所有三个太阳能电池将由于有效电子空穴对分离和收集由于重大修改肖特基势垒的行为由双层和多层石墨烯的联系人。因此,我们整体属性的区别在太阳能电池光伏性能的关键影响石墨烯接触和肖特基结相关的属性。
图8显示了的能带图graphene-W
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