10002078_SiMoS2异质结太阳能电池载流子输运特性研究-solarbe文库

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Si/MoS2 异质结太阳能电池载流子输运特性研究张瑜，翟雄，丛日东，于威 * 河北大学物理科学与技术学院，新能源光电器件国家地方联合工程实验室摘要本文采用磁控溅射技术制备Si/MoS 2异质结太阳能电池，引入增强 Si/MoS2异质结界面载流子引出的MoO x缓冲层，研究MoO x层插入对界面载流子输运及异质结能带特性的影响；设计“n- Si/SiOx/MoS2/MoOx”结构电池器件，研究调制掺杂技术对 MoS2能带结构调控及对Si/MoS 2器件转换效率的提升作用；采用钼氧硫薄膜作为载流子选择性引出层，以实现n-Si/MoO 3-xSx异质结电池载流子的高效引出及光电转换效率的显著增强。关键词Si/MoS 2 异质结，能带结构调整，载流子高效引出，光电转换特性通讯作者于威，研究方向新型光电功能材料与器件，E-mailyuweihbu.edu.cn 1. 引言近年来，利用MoS 2的带隙可调、高载流子迁移率和高的能态填充速率等特性，以MoS 2为载流子传输层的体半导体/MoS 2异质结光伏器件研究成为MoS 2材料探索的重要方向 [1]。人们已经设计了以Si、 GaAs和CH 3NH3PbI3等为吸光层的体半导体/MoS 2光伏器件，显示了MoS 2优异的光电特性 [2,3]。目前，晶体 Si太阳能电池是产业化的主流器件，考虑到新型TMD材料丰富和制备工艺简单，用其作为载流子传输层替换硼磷高温扩散掺杂即可节省传统电池35的制备成本 [4]。因此，高效、低成本Si/MoS 2异质结光伏器件的研究一直受人关注 [5-8]。异质结光伏器件是当前最成功的高效光伏结构，其效率提升的关键在于异质结界面较低的缺陷复合和载流子的选择性引出。对于Si/MoS 2异质结电池，理论与实验均已表明， MoS2与晶体Si间存在较大的晶格差异和较强的能态耦合，所产生的带隙态将严重制约载流子的引出特性 [9]。 Lin等人 [10]在n-GaAs/MoS 2界面插入二维h-BN，通过抑制结间电荷转移，电池开压和FF因子均获提升。因此，为了获得光伏性能提升，利用合适缓冲层调整异质结间能态耦合成为Si/MoS 2光伏器件研究的关键问题。在载流子选择引出方面，通过传输层掺杂对体半导体施加合适电场，才能实现异质结电池光生载流子的高效选择性引出。受到维数限制，当前MoS 2等二维半导体主要通过表面电荷转移和面内原子取代等方式实现有效掺杂 [11]。由于高效的异质结电池需要传输层具有较小的缺陷密度，而基于面电荷转移机制的调制掺杂对MoS 2缺陷特性影响较小 [12]，因此，该技术也将会成为Si/MoS 2电池高效机制研究的重要实验手段。本文通过寻找与MoS 2工艺兼容的MoO x缓冲层的制备条件，研究界面缓冲层插入对 Si/MoS2 异质结界面载流子复合及能带特性的影响；设计以MoO x调制掺杂层为特征的“n- Si/SiOx/MoS2/MoOx”结构异质结电池，研究调制掺杂技术对MoS 2能带结构调整及器件光伏特性提升的作用；采用钼氧硫（MoO 3-xSx）代替MoS 2/MoOx为载流子引出层，研究MoO 3-xSx中硫掺入对电池载流子引出效率的提升作用。 3. 结果与讨论 a b 图 1 p-Si/SiOx/MoOx/MoS2 异质结太阳能电池a C-V 曲线，b IV 特性曲线图1a为不同MoO x缓冲层厚度的Si/MoS 2电池C-V曲线。可以看出，通过插入合适厚度 MoOx层， Si/MoS2界面载流子复合损失显著降低，界面内建电势增强。由图1b可以看出插入合适厚度MoO x缓冲层后电池开压、 FF 因子、等各项电性能参数都得到显著提升。图2 n-Si/SiO x/MoS2/MoOx异质结太阳能电池退火前后a电池结构图，bIV 曲线和cRaman 谱图 2 为以 MoOx 薄膜为 p 型掺杂层，n-Si/MoS 2/MoOx 电池的光伏特性。Raman 分析结果显示较薄 MoS2 薄膜更易实现能级调控（图 2c），但后退火的 MoS2 薄膜具有更高的薄膜质量。I- V 特性结果显示载流子传输和收集效率显著增强（图 2b），所制备最优电池效率为 5.47。 a b 图3 不同硫掺入n-Si/MoO 3-xSx异质结太阳能电池aJ-V 曲线，b阻抗特性曲线图 3 为不同硫掺入量的 n-Si/MoO3-xSx 异质结光伏器件光电特性。图 3b结果显示，相比于 n-Si/MoOx 异质结电池，n-Si/MoO 3-xSx 电池体电阻和复合电阻显著减小，载流子引出效率明显增强。电池短路电流增加，优化的电池光电转换效率接近 16（图 3a）。 4. 结论本文通过在Si/MoS 2异质结界面插入MoO x缓冲层显著降低了界面载流子复合，异质结界面载流子输运增强；结合调制掺杂技术实现了MoS 2薄膜的能级调控，所制备的“n- Si/MoS2/MoOx”结构光伏器件的光电转换效率明显提升；采用 MoO3-xSx薄膜为载流子引出层，获得了异质结界面载流子的高效引出，n-Si/MoO 3-xSx异质结电池展示了16 的光电转换输出。参考文献 [1] E. Singh,K. S. Kim, G. Y. Yeom, et al., Atomically thin-layered molybdenum disulfide MoS2 for bulk- heterojunction solar cells, ACS Appl. Mater. Interfaces, 9 4, 3223-3245 2017 [2] S. Xu, X. Zeng, W. Wang, et al., Simulation and optimization characteristic of novel MoS2/c-Si HIT solar cell, J. Mine. Mater. Charac. Engin., 05 5, 323-338 2017 [3] G. Kakavelakis, I. Paradisanos, B. Paci, et al., Extending the continuous operating lifetime of perovskite solar cells with a molybdenum disulfde hole extraction interlayer, Adv. Energy Mater., 17022872018 [4] R. Hezel, Recent progress in MIS solar cells, Progress in Photovoltaics, 5 2, 109-120 1997 [5] S. Xu, X. Zeng, W. Wang, et al., Simulation and optimization characteristic of novel MoS2/c-Si HIT solar cell, J. Mine. Mater. Charac. Engin., 05 5, 323-338 2017 [6] M. L. Tsai, S. H. Su, J. K. Chang, et al., Monolayer MoS2 heterojunction solar cells, ACS Nano., 8 8, 8317 2014 [7] Y. Tsuboi, F. Wang, D. Kozawa, et al., Enhanced photovoltaic performances of graphence/Si solar cells by insertion of a MoS2 thin film, Nanoscale, 7, 14476-14482 2015 [8] J. Ma, H. Bai, W. Zhao, et al., High efficiency graphene/MoS2/Si Schottky barrier solar cells using layer- controlled MoS2 films, Sol. Energy, 160, 76-84 2018 [9] A. Kerelsky, A. Nipane, D. Edelberg, et al., Absence of a band gap at the interface of a metal and highly doped monolayer MoS2, Nano Lett., 17 10, 5962-5968 2017 [10] S. Lin, X. Li, P. Wang, et al., Interface designed MoS2/GaAs heterostructure solar cell with sandwich stacked hexagonal boron nitride, Sci. Rep., doi10.1038/srep15103 [11] L. Xing and L. Jiao, Recent advances in the chemical doping of two-dimensional molybdenum disulfide, Acta Phys.-Chim. Sin., 32 9, 2133-2145 2016 [12] K. Xu, Y. Wang, Y. Zhao, et. al., Modulation doping of transition metal dichalocogenides/oxides heterostructure, J. Mater. Chem. C, 5, 376-3812017