10002078_SiMoS2异质结太阳能电池载流子输运特性研究

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-mail：yuwei@hbu.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1(a)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1(b)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，(b)IV 曲线和(c)Raman 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 2(c)） ，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 2(b)） ，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(a)J-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 3(b)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 3(a)） 。 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., 1702287(2018) [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., doi:10.1038/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, 376-381(2017)