一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法制造方法及图纸

技术编号:15332503 阅读:153 留言:0更新日期:2017-05-16 15:35
一种光伏装置,包括光源和光伏器件,所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、石墨烯层、第一电极和第二电极,其中,所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上,另一部分位于所述绝缘层上,所述第一电极位于所述开口中,其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触,另一部分与所述石墨烯层接触,所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上,其一部分与所述石墨烯层接触,另一部分与所述绝缘层接触,其中,所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。本发明专利技术的光伏装置为结构简单,尺寸小,在微纳器件和柔性器件中有潜在的应用。

Photovoltaic device and method for producing photovoltaic effect

A photovoltaic device includes a light source and a photovoltaic device, the photovoltaic device includes a semiconductor substrate, the optical gain of low resistivity in the insulating layer, the insulating layer exposes the low resistivity semiconductor substrate optical gain part of the opening, the graphene layer, a first electrode and a second electrode, wherein the low light resistance gain on the semiconductor substrate, the graphene layer part located in the opening of the low resistivity semiconductor optical gain, the other part is positioned on the insulating layer and the first electrode is disposed in the opening, and a portion of the optical gain the low resistivity semiconductor substrate contact, on the other a part of contact with the graphene layer and the second electrode is positioned on the insulating layer and the graphene layer, the part with the graphene layer, and the other part of the insulating layer in contact, among them, the light The energy of the source emission light is greater than the low resistance optical gain band gap of the semiconductor substrate. The photovoltaic device of the invention has simple structure and small size, and has potential applications in micro nano devices and flexible devices.

【技术实现步骤摘要】
一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法
本专利技术属于半导体
,尤其涉及一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法。
技术介绍
自从1947年贝尔实验室的科学家巴丁(JohnBardeen)和布拉顿(WalterBrattain)专利技术了半导体晶体管之后,PN结作为现代半导体器件的基本结构单元在现代半导体光电组件和系统中得到了广泛的应用。基于PN结原理的光伏效应,贝尔实验室于1954年第一次做出了光电转换效率为6%的实用单晶硅光伏电池,开创了光伏发电的新纪元。半个多世纪以来,所有开发和利用的光伏器件都遵循这一原理。但是,传统半导体PN结复杂的器件工艺和较大的器件尺寸限制了其广泛应用,尤其在微纳器件和柔性器件的应用中有较大的局限性。
技术实现思路
因此,本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷,提供一种光伏装置,包括光源和光伏器件,所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、石墨烯层、第一电极和第二电极,其中,所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上,另一部分位于所述绝缘层上,所述第一电极位于所述开口中,其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触,另一部分与所述石墨烯层接触,所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上,其一部分与所述石墨烯层接触,另一部分与所述绝缘层接触,其中,所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。根据本专利技术的光伏装置,优选地,所述低阻光增益半导体衬底为低阻有机半导体或低阻无机半导体。根据本专利技术的光伏装置,优选地,所述低阻光增益半导体衬底为单一块体或多层半导体薄膜。根据本专利技术的光伏装置,优选地,所述光源为紫外光源,所述低阻光增益半导体衬底为SiC,或者所述光源为532nm的绿光,所述低阻光增益半导体衬底为Si、GaAs或GaP,或者所述光源为632nm的红光,所述低阻光增益半导体衬底为Si衬底上的GaAs。根据本专利技术的光伏装置,优选地,所述绝缘层为SiO2、SiN。根据本专利技术的光伏装置,优选地,所述第一电极和第二电极为金属电极或ITO电极。根据本专利技术的光伏装置,优选地,所述金属电极为镂空状。根据本专利技术的光伏装置,优选地,还包括分别电连接至所述第一电极和所述第二电极的第一引线和第二引线。根据本专利技术的光伏装置,优选地,还包括将所述低阻光增益半导体衬底、所述石墨烯层、所述绝缘层、所述第一和第二电极以及所述第一和第二引线进行封装的封装壳体,其中所述封装壳体具有通光窗口。本专利技术还提供了一种采用上述光伏装置产生光伏效应的方法。本专利技术的基于石墨烯的光伏装置为平面结构,工艺简单,尺寸小,与现有大规模集成电路工艺兼容性好;光增益衬底材料可以是无机或有机半导体材料,使其在微纳器件和柔性器件中有潜在的应用价值;并且,其中的光增益半导体材料及金属电极材料的选择余地大,制造成本低廉,有广泛的应用前景。另外,本专利技术提供的光伏装置采用低阻光增益半导体材料做衬底,综合利用了低阻光增益半导体材料对比其带隙能量高的光子的高效吸收、低阻光增益半导体材料中产生的大量光生载流子快速转移到受辐照的石墨烯和电极上,由此在石墨烯两端的受辐照和未受辐照电极之间建立费米能级差,从而实现光伏效应,光电转换效率高。在短路条件下,由于石墨烯优良的电子输运特性,可以实现对辐照光的超快响应和灵敏探测。因此本专利技术的光伏器件可以作为无需电源的超快、灵敏光探测器。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明,其中:图1为根据本专利技术的光伏装置的截面结构示意图;图2为图1所示的光伏装置中光伏器件100的俯视图;图3为石墨烯与n型Si异质结界面的能带结构示意图,其中EC、EV和EF分别表示Si的导带、价带和费米能级;图4为石墨烯与p型Si异质结界面的能带结构示意图,其中EC、EV和EF分别表示Si的导带、价带和费米能级;图5为金属电极Ti/Au与n型Si异质结界面的能带结构示意图,其中EC、EV和EF分别表示n型Si的导带、价带和费米能级;图6为金属电极Ti/Au与p型Si异质结界面的能带结构示意图,其中EC、EV和EF分别表示p型Si的导带、价带和费米能级;图7为以n型Si为衬底,有光照情况下石墨烯与金属电极Ti/Au的能带结构示意图,其中,ΔE为在光子能量为hν(其能量大于光增益半导体的带隙)的光辐照左侧电极的情况下,在石墨烯两端产生的费米能级差;图8为以p型Si为衬底,在有光照情况下石墨烯与金属电极Ti/Au的能带结构示意图,其中,ΔE为在光子能量为hν(其能量大于光增益半导体的带隙)的光辐照左侧电极的情况下,在石墨烯两端产生的费米能级差;图9为无光照情况下石墨烯与金属电极Ti/Au的能带结构示意图;图10为本专利技术另一示例的光伏装置中的光伏器件的结构示意图;图11为本专利技术又一示例的光伏装置中的光伏器件的结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的,技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。需要说明的是,在本专利技术中,“低阻”是指电阻率为10-3~105Ω·cm,并且本领域技术人员公知的是,可以通过改变半导体的掺杂浓度来调节其电阻率,例如高阻SiC晶体可以通过生长高纯SiC或通过钒掺杂补偿剩余载流子实现高阻,而n(p)型的导电SiC可以通过掺杂N、B或Al原子调控其载流子浓度实现不同电阻率的导电SiC,高阻半导体与低阻半导体的根本区别是其电阻率不同。另外,当前,半导体的制作与生产工艺已经非常成熟,各种电阻率的半导体材料都可以在市场上购买到。本专利技术提供了一种低阻光增益半导体衬底对辐照光有效吸收的光伏装置。由于低阻光增益半导体衬底材料的厚度远远大于金属电极或石墨烯的厚度,其对辐照光的高效吸收产生的光生载流子能在衬底/金属界面电场或衬底/石墨烯界面电场的作用下快速转移到金属电极或石墨烯上,引起金属电极或石墨烯费米能级的改变,快速在石墨烯两端的金属电极间建立起电压,从而产生光伏电压。而且本专利技术人还发现,本专利技术的光伏装置产生的光伏电压实际上是衬底吸收产生的光伏效应以及金属电极和石墨烯的光热电效应的叠加结果,并且后者相比前者几乎可以忽略,所以本专利技术的光伏装置的光电转换效率远高于现有技术基于光热电效应原理的石墨烯光伏器件的光电转换效率。另外,由于本专利技术的衬底材料为低阻光增益半导体,所以当接受光辐照时相比高阻光增益半导体会产生更多的光生载流子,这进一步提高了本专利技术的光伏器件的光电转换效率。图1示出了根据本专利技术的光伏装置的截面结构的示意图,光伏装置包括光伏器件100和光源200,其中,光伏器件100包括低阻光增益半导体衬底1;位于低阻光增益半导体衬底1上的绝缘层2;绝缘层2的暴露出低阻光增益半导体衬底1的一部分的开口21;石墨烯层3,所述石墨烯层3的一部分位于所述开口21中的所述低阻光增益半导体1上,另一部分位于所述绝缘层2上;位于开口21中的第一电极41,所述第一电极41的一部分与低阻光增益半导体衬底1接触,另一部分与石墨烯层3接触;位于绝缘层2和石墨烯层3上的第二电极42,所述第二电极42的一部分与石墨烯层3接触,另一部分与绝缘层本文档来自技高网...
一种光伏装置以及一种产生光伏效应的方法

【技术保护点】
一种光伏装置,包括光源和光伏器件,所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、石墨烯层、第一电极和第二电极,其中,所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上,另一部分位于所述绝缘层上,所述第一电极位于所述开口中,其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触,另一部分与所述石墨烯层接触,所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上,其一部分与所述石墨烯层接触,另一部分与所述绝缘层接触,其中,所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。

【技术特征摘要】
1.一种光伏装置,包括光源和光伏器件,所述光伏器件包括低阻光增益半导体衬底、位于所述低阻光增益半导体衬底上的绝缘层、所述绝缘层的暴露出所述低阻光增益半导体衬底的一部分的开口、石墨烯层、第一电极和第二电极,其中,所述石墨烯层的一部分位于所述开口中的所述低阻光增益半导体上,另一部分位于所述绝缘层上,所述第一电极位于所述开口中,其一部分与所述低阻光增益半导体衬底接触,另一部分与所述石墨烯层接触,所述第二电极位于所述绝缘层和所述石墨烯层上,其一部分与所述石墨烯层接触,另一部分与所述绝缘层接触,其中,所述光源发射的光的能量大于所述低阻光增益半导体衬底的带隙。2.根据权利要求1所述的光伏装置,其中,所述低阻光增益半导体衬底为低阻有机半导体或低阻无机半导体。3.根据权利要求1所述的光伏装置,其中,所述低阻光增益半导体衬底为单一块体或多层半导体薄膜。4.根据权利要求3所述的光伏装置,其中,...

【专利技术属性】
技术研发人员:郭丽伟杨军伟陈小龙
申请(专利权)人:中国科学院物理研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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