一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料，采用层递式转移方法制备的由石墨烯和二硫化钼薄膜构成的多层薄膜，石墨烯的厚度是0.34‑2nm，面积要求是0.25mm2‑1cm2，二硫化钼的厚度是0.65‑3.5nm，面积要求是0.25mm2‑1cm2，采用化学气相沉积方法制备，并利用湿法循环转移直至形成总厚度为3.96‑110nm，形成超晶格异质结构，并将该大面积超薄石墨烯/二硫化钼形成的超晶格异质材料用于二维材料/单晶硅异质太阳能电池中。本发明专利技术的优点是：在不增加设备成本的前提下，制备新型超薄二维超晶格材料/单晶硅异质太阳能电池，最终提高了电池的光电转换效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新型二维材料/单晶硅异质太阳电池领域，特别涉及一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料及其制备方法和应用。
技术介绍
面对全球日益严峻的能源短缺问题，太阳能电池因其具有清洁、无污染的特点日益成为解决环境问题和能源问题的重要手段之一。随着技术的不断发展，对这种二维材料/单晶硅异质新型太阳能电池的研究也越来越广泛，由于其结构简单、制造成本低、耗能低、制造过程无污染，成为未来太阳电池发展的重要方向。新型二维材料/单晶硅异质太阳电池中，对p型和n型层材料的要求是高电导率和高光敏性，其中高电导率有利于光生载流子的输运，高光敏性有利于提高光生载流子浓度--石墨烯具有良好的类金属的载流子迁移率，但是石墨烯自身为接近零带隙半导体，没有光电效应，MoS2具有良好的光电效应，但MoS2的载流子迁移率远小于石墨烯，采用超晶格结构可以兼顾载流子纵向输运特性的同时获得高的光敏性，最终提高异质太阳电池转化效率。目前，在新型二维材料/单晶硅异质太阳能电池研究中广泛使用二维材料作为窗口层材料，二硫化钼为六方晶系结构，与单层石墨烯相比单层二硫化钼为直接带隙半导体(带隙值为1.8eV)，随着厚度增大带隙值逐渐减小，并过渡为间接带隙半导体(带隙值为1.2eV)，而且MoS2存在bandnesting和范霍夫奇点，具有较高的态密度，所以MoS2具有良好的光电特性，但是多层的MoS2为间接带隙半导体，不利于对光子的吸收，所以采用接近于单层的MoS2，为了增加MoS2的厚度并保证其为直接带隙半导体，在MoS2之间嵌入石墨烯层，构成二硫化钼/石墨烯超晶格结构，既有利于载流子的运输，又能够增加对光子的吸收，实现大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料的制备，选择MoS2用来作为光电转换的载体。传统硅基薄膜电池另一部分光学损失是未达到本征层就被前电极或是窗口层反射的部分。针对此问题，大部分研究机构所采用的方法是在MoS2薄膜上覆盖一层透明导电薄膜石墨烯，单层石墨烯的透明度能够达到90％以上，而且石墨烯具有良好的电学特性，当太阳光谱照射到石墨烯上，其仅能吸收光的2.3％左右。所以当太阳光谱入射到二维材料/单晶硅异质电池时，由于石墨烯具有高透光率，而且电学特性极好，单层MoS2的直接带隙能够达到1.8eV，具有良好的光电特性，光电转换效率能达到理想的效果，最终达到提高太阳能电池效率，同时降低成本，精简工艺的目的。从上面的分析看出，如何开发出具有高电导率、高光敏性，同时增加光电转换效率的超晶格材料是制备二维材料/单晶硅异质电池的关键点。为此，本专利技术提出一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料及其制备方法，有效地解决了上述的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供一种大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料及其制备方法和应用，该超晶格异质材料具有高电导率、高光敏性，可大大增加光电转换效率，并且通过调制MoS2薄膜沉积条件，提高新型二维材料/单晶硅异质太阳电池的开路电压和填充因子，从而提高太阳电池效率。本专利技术的技术方案：一种大面积超薄石墨烯/硫化钼超晶格异质材料，为采用层递式转移方法制备的由石墨烯和硫化钼薄膜交替生长的多层薄膜，材料面积达到0.25mm2-1cm2，硫化钼的厚度为0.65-3.5nm，石墨烯的厚度为0.34-2nm，超晶格异质结的周期设置为4-20个，每个循环周期的厚度为0.99-5.5nm，然后利用湿法循环转移直至形成总厚度为3.96-110nm厚的超晶格异质结构，即为大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料。一种所述大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料的制备方法，步骤如下：1)大面积石墨烯薄膜的制备以铜箔为石墨烯沉积衬底，先将铜箔放入浓度为5wt％的稀盐酸溶液中，超声5min，然后取出铜箔放在去离子水中超声10min，取出用氮气枪吹干，然后利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)生长大面积石墨烯薄膜，其中沉积温度为300-750℃，反应气源为甲烷、氢气和氩气的混合气体，混合气体中甲烷占总气体体积流量的20-50％、氢气占总气体体积流量的1-15％、其他为氩气，功率为100-300W，压强为50-1000Pa，沉积时间为10-100s，制得石墨烯薄膜，所述PECVD沉积设备型号为13.56MHz-100MHz；2)大面积二硫化钼薄膜的制备通过CVD方法(化学气相沉积法)制备大面积二硫化钼，生长材料选择硫和钼箔，在管式炉中进行钼箔硫化，温度为500-700℃，氩气的通入流量为50-100sccm，生长时间为1-60min，制得二硫化钼薄膜，所述沉积设备为三温区管式炉；3)石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料的制备首先将大面积二硫化钼薄膜转移到SiO2衬体上，方法是利用旋涂仪在沉积二硫化钼薄膜的钼箔上旋涂一层均匀的PMMA，旋涂机在150r/min低速下运行5s、再在3000r/min高速下运行1min，然后在80℃下热烘2min，重复以上步骤，完成第二次甩胶和热烘，然后利用浓度为0.5mol/L的FeCl3溶液将底部的钼箔刻蚀掉，形成悬浮在溶液中的二硫化钼薄膜，然后采用捞取的方式将二硫化钼薄膜转移到SiO2衬体上，然后浸泡在丙酮中去胶；采用上述相同的方法，完成石墨烯薄膜的转移，依次转移二硫化钼和石墨烯薄膜后，形成大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料。一种所述大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料的应用，用于二维材料/单晶硅异质太阳电池，该异质太阳电池由下电极、n-型单晶硅、SiO2层、大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料、上电极依次叠加构成，其中大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料为p型半导体，由层数为4-20多层石墨烯-二硫化钼薄膜组成，其与n型单晶硅衬底构成内建电场，实现对300-800nm波段太阳光谱的光电转化。本专利技术的机理分析：在新型二维材料/单晶硅异质太阳电池中，对p型和n型层材料的要求是高电导率和高光敏性，因为高电导率有利于载流子的运输，高光敏性有利于对光子的吸收，提高光生载流子浓度，进而提高了光电效率。为了提高载流子的迁移率，最简单的方法是镀上一层具有电学特性较好的透明导电薄膜。但是由于石墨烯为单质结构，而且石墨烯自身为接近零带隙半导体，没有光电效应，但是MoS2具有良好的光电效应(MoS2的载流子迁移率远小于石墨烯)，而且二硫化钼为六方晶系结构，与单层石墨烯相比单层二硫化钼为直接带隙半导体(带隙值为1.8eV)，随着厚度增大带隙值逐渐减小，并过渡为间接带隙半导体(带隙值为1.2eV)，所以选择MoS2用来作为光电转换的载体。石墨烯/二硫化钼/石墨烯/二硫化钼的结构可以保证二硫化钼为单层情况下(直接带隙)增加光吸收，所以采用超晶格结构可以兼顾载流子纵向输运特性的同时获得高的光敏性，最终提高异质太阳电池转化效率。本专利技术提出大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料，一方面，但是由于石墨烯为单质结构，而且石墨烯自身为接近零带隙半导体，没有光电效应，二硫化钼为六方晶系结构，与单层石墨烯相比单层二硫化钼为直接带隙半导体(带隙值为1.8eV)，由于MoS2存在bandnesting和范霍夫奇点，具有较高的态密度，所以MoS本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种大面积超薄石墨烯/硫化钼超晶格异质材料，其特征在于：为采用层递式转移方法制备的由石墨烯和硫化钼薄膜交替生长的多层薄膜，材料面积达到0.25mm2‑1cm2，硫化钼的厚度为0.65‑3.5nm，石墨烯的厚度为0.34‑2nm，超晶格异质结的周期设置为4‑20个，每个循环周期的厚度为0.99‑5.5nm，然后利用湿法循环转移直至形成总厚度为3.96‑110nm厚的超晶格异质结构，即为大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料。
【技术特征摘要】
1.一种大面积超薄石墨烯/硫化钼超晶格异质材料，其特征在于：为采用层递式转移方法制备的由石墨烯和硫化钼薄膜交替生长的多层薄膜，材料面积达到0.25mm2-1cm2，硫化钼的厚度为0.65-3.5nm，石墨烯的厚度为0.34-2nm，超晶格异质结的周期设置为4-20个，每个循环周期的厚度为0.99-5.5nm，然后利用湿法循环转移直至形成总厚度为3.96-110nm厚的超晶格异质结构，即为大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料。2.一种如权利要求1所述大面积超薄石墨烯/二硫化钼超晶格异质材料的制备方法，其特征在于步骤如下：1)大面积石墨烯薄膜的制备以铜箔为石墨烯沉积衬底，先将铜箔放入浓度为5wt％的稀盐酸溶液中，超声5min，然后取出铜箔放在去离子水中超声10min，取出用氮气枪吹干，然后利用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法)生长大面积石墨烯薄膜，其中沉积温度为300-750℃，反应气源为甲烷、氢气和氩气的混合气体，混合气体中甲烷占总气体体积流量的20-50％、氢气占总气体体积流量的1-15％、其他为氩气，功率为100-300W，压强为50-1000Pa，沉积时间为10-100s，制得石墨烯薄膜，所述PECVD沉积设备型号为13.56MHz-100MHz；2)大面积二硫化钼薄膜的制备通过CVD方法(化学气相沉积)制备大面积二硫化钼，生长材料选择硫和钼箔...
【专利技术属性】
技术研发人员：张楷亮，白鹤，马峻，王芳，李悦，李微，袁育杰，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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