[发明专利]一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法

说明书

本发明公开了一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法。所述的光伏电池结构自上而下依次为铁电功能层、金属电极、二维半导体和绝缘硅衬底。器件制备步骤是在衬底上制备过渡金属硫族化合物二维半导体，运用紫外光刻或者电子束曝光的方法结合热蒸发、剥离工艺制备金属电极作为半导体沟道的源极和漏极，然后用旋涂法制备铁电薄膜覆盖此结构，随后使用压电力显微技术对两个沟道分别写入正‑负向畴结构，于是铁电畴就能够调控双极型二维半导体两侧分别呈现空穴和电子导电，形成面内PNPN结。此种方法形成的串联PN结与单个PN结相比具有开路电压翻倍增长的特征，制备工艺简单，器件的尺寸小，器件稳定性好。

技术领域

本发明涉及一种二维半导体光伏器件，具体指一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法。

背景技术

光伏器件是可以用来将太阳能转化为电能。照射在器件上的光被半导体材料吸收，产生电子空穴对，这些电子空穴对被光伏器件的内建电场分开，分开的电子和空穴在结上产生光电压和光电流。PN结就是典型的光伏器件。

开路电压值(Voc)是提高电池效率的关键因素，它显示了当光照射在太阳能电池上时电池中存在电荷载体的数量，可以有效地提升太阳能电池的性能。然而太阳能电池的输出电压通常受到半导体材料入射光强和带隙的限制。为了提高输出电压，可以使用非晶硅等半导体材料制作光伏阵列。这种光伏阵列通过电极将PN结串联在一起，这种工艺通常涉及到光刻、化学刻蚀、激光刻蚀、机械划片等工艺，过程繁琐且工艺复杂。

今年来，二维材料由于具有高的体表面积比、柔性和良好的导电性在光电器件领域显示出巨大的发展潜力。用二维材料制作的PN结光伏器件得到了极大关注。二维材料PN结包括异质结和同质结，其中二维材料异质结结构光伏器件通常是将p型材料和n型材料垂直堆叠在一起，从而形成PN结。目前，文献报道最多的异质结结构是MoS₂-WSe₂的PN结，其中单层堆叠的转换功率为0.2％。多层堆叠的功率转换效率为3.4％[Chemical SocietyReviews,2018, 47(9):3339]。除了MoS₂-WSe₂的PN结外，由于二维材料p型和n型具有多样性，还出现了各种各样的二维异质结构。但是由于两层材料的电荷转移过程中载流子重组，二维材料异质结结构的开路电压比组成异质结的二维材料小得多，一般不超过0.3eV，极少数可以达到0.5eV。而与异质结相比，二维材料同质结的开路电压通常比较大，但是由于空间电荷区相对较小，功率转换效率较低。目前制备二维材料同质结的方法有静电掺杂、元素掺杂、化学掺杂等。这些方法工艺较为复杂，掺杂水平通常难以控制。

以上这些方法构建的二维材料PN结都是单一的PN结。因此，本发明利用铁电材料所产生的强局域场来调控二维材料，使得同一块二维材料上出现连续的“P区N区P区N区”，从而构成串联的二维材料PN结光伏太阳能电池，最终实现了倍增开路电压的作用。这一发明推进了二维材料在太阳能电池方面的应用。

发明内容

本发明提出了一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法，实现了二维半导体串联光伏电池的应用。

上述发明将铁电材料引入过渡金属硫族化合物二维半导体光伏器件，该光伏器件结构基于铁电场效应，利用铁电极化形成的局域电场，调节二维材料的载流子浓度，使得同一块二维材料上形成面内PNPN结。

本发明指一种铁电畴定义的串联二维光伏电池及制备方法，其特征在于，器件结构自上而下依次为：

-铁电功能层1，

-金属电极2，

-双极性过渡金属化合物二维半导体3，

-绝缘硅衬底4。

其中铁电功能层1为聚偏氟乙烯基铁电聚合物薄膜，厚度为60纳米；