本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光伏裝置以及一種產(chǎn)生光伏效應(yīng)的方法。

背景技術(shù)：

自從1947年貝爾實驗室的科學(xué)家巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter Brattain)發(fā)明了半導(dǎo)體晶體管之后，PN結(jié)作為現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的基本結(jié)構(gòu)單元在現(xiàn)代半導(dǎo)體光電組件和系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。基于PN結(jié)原理的光伏效應(yīng)，貝爾實驗室于1954年第一次做出了光電轉(zhuǎn)換效率為6％的實用單晶硅光伏電池，開創(chuàng)了光伏發(fā)電的新紀元。半個多世紀以來，所有開發(fā)和利用的光伏器件都遵循這一原理。但是，傳統(tǒng)半導(dǎo)體PN結(jié)復(fù)雜的器件工藝和較大的器件尺寸限制了其廣泛應(yīng)用，尤其在微納器件和柔性器件的應(yīng)用中有較大的局限性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種光伏裝置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括低阻光增益半導(dǎo)體襯底、位于所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底上的絕緣層、所述絕緣層的暴露出所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底的一部分的開口、石墨烯層、第一電極和第二電極，其中，所述石墨烯層的一部分位于所述開口中的所述低阻光增益半導(dǎo)體上，另一部分位于所述絕緣層上，所述第一電極位于所述開口中，其一部分與所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極位于所述絕緣層和所述石墨烯層上，其一部分與所述石墨烯層接觸，另一部分與所述絕緣層接觸，其中，所述光源發(fā)射的光的能量大于所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底的帶隙。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底為低阻有機半導(dǎo)體或低阻無機半導(dǎo)體。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底為單一塊體或多層半導(dǎo)體薄膜。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述光源為紫外光源，所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底為SiC，或者所述光源為532nm的綠光，所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底為Si、GaAs或GaP，或者所述光源為632nm的紅光，所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底為Si襯底上的GaAs。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述絕緣層為SiO₂、SiN。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述第一電極和第二電極為金屬電極或ITO電極。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述金屬電極為鏤空狀。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，還包括分別電連接至所述第一電極和所述第二電極的第一引線和第二引線。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，還包括將所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底、所述石墨烯層、所述絕緣層、所述第一和第二電極以及所述第一和第二引線進行封裝的封裝殼體，其中所述封裝殼體具有通光窗口。

本發(fā)明還提供了一種采用上述光伏裝置產(chǎn)生光伏效應(yīng)的方法。

本發(fā)明的基于石墨烯的光伏裝置為平面結(jié)構(gòu)，工藝簡單，尺寸小，與現(xiàn)有大規(guī)模集成電路工藝兼容性好；光增益襯底材料可以是無機或有機半導(dǎo)體材料，使其在微納器件和柔性器件中有潛在的應(yīng)用價值；并且，其中的光增益半導(dǎo)體材料及金屬電極材料的選擇余地大，制造成本低廉，有廣泛的應(yīng)用前景。

另外，本發(fā)明提供的光伏裝置采用低阻光增益半導(dǎo)體材料做襯底，綜合利用了低阻光增益半導(dǎo)體材料對比其帶隙能量高的光子的高效吸收、低阻光增益半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生的大量光生載流子快速轉(zhuǎn)移到受輻照的石墨烯和電極上，由此在石墨烯兩端的受輻照和未受輻照電極之間建立費米能級差，從而實現(xiàn)光伏效應(yīng)，光電轉(zhuǎn)換效率高。在短路條件下，由于石墨烯優(yōu)良的電子輸運特性，可以實現(xiàn)對輻照光的超快響應(yīng)和靈敏探測。因此本發(fā)明的光伏器件可以作為無需電源的超快、靈敏光探測器。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中：

圖1為根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置的截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1所示的光伏裝置中光伏器件100的俯視圖；

圖3為石墨烯與n型Si異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中E_C、E_V和E_F分別表示Si的導(dǎo)帶、價帶和費米能級；

圖4為石墨烯與p型Si異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中E_C、E_V和E_F分別表示Si的導(dǎo)帶、價帶和費米能級；

圖5為金屬電極Ti/Au與n型Si異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中E_C、E_V和E_F分別表示n型Si的導(dǎo)帶、價帶和費米能級；

圖6為金屬電極Ti/Au與p型Si異質(zhì)結(jié)界面的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中E_C、E_V和E_F分別表示p型Si的導(dǎo)帶、價帶和費米能級；

圖7為以n型Si為襯底，有光照情況下石墨烯與金屬電極Ti/Au的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中，ΔE為在光子能量為hν(其能量大于光增益半導(dǎo)體的帶隙)的光輻照左側(cè)電極的情況下，在石墨烯兩端產(chǎn)生的費米能級差；

圖8為以p型Si為襯底，在有光照情況下石墨烯與金屬電極Ti/Au的能帶結(jié)構(gòu)示意圖，其中，ΔE為在光子能量為hν(其能量大于光增益半導(dǎo)體的帶隙)的光輻照左側(cè)電極的情況下，在石墨烯兩端產(chǎn)生的費米能級差；

圖9為無光照情況下石墨烯與金屬電極Ti/Au的能帶結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10為本發(fā)明另一示例的光伏裝置中的光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為本發(fā)明又一示例的光伏裝置中的光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

需要說明的是，在本發(fā)明中，“低阻”是指電阻率為10^-3～10⁵Ω·cm，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的是，可以通過改變半導(dǎo)體的摻雜濃度來調(diào)節(jié)其電阻率，例如高阻SiC晶體可以通過生長高純SiC或通過釩摻雜補償剩余載流子實現(xiàn)高阻，而n(p)型的導(dǎo)電SiC可以通過摻雜N、B或Al原子調(diào)控其載流子濃度實現(xiàn)不同電阻率的導(dǎo)電SiC，高阻半導(dǎo)體與低阻半導(dǎo)體的根本區(qū)別是其電阻率不同。另外，當前，半導(dǎo)體的制作與生產(chǎn)工藝已經(jīng)非常成熟，各種電阻率的半導(dǎo)體材料都可以在市場上購買到。

本發(fā)明提供了一種低阻光增益半導(dǎo)體襯底對輻照光有效吸收的光伏 裝置。由于低阻光增益半導(dǎo)體襯底材料的厚度遠遠大于金屬電極或石墨烯的厚度，其對輻照光的高效吸收產(chǎn)生的光生載流子能在襯底/金屬界面電場或襯底/石墨烯界面電場的作用下快速轉(zhuǎn)移到金屬電極或石墨烯上，引起金屬電極或石墨烯費米能級的改變，快速在石墨烯兩端的金屬電極間建立起電壓，從而產(chǎn)生光伏電壓。而且本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的光伏裝置產(chǎn)生的光伏電壓實際上是襯底吸收產(chǎn)生的光伏效應(yīng)以及金屬電極和石墨烯的光熱電效應(yīng)的疊加結(jié)果，并且后者相比前者幾乎可以忽略，所以本發(fā)明的光伏裝置的光電轉(zhuǎn)換效率遠高于現(xiàn)有技術(shù)基于光熱電效應(yīng)原理的石墨烯光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，由于本發(fā)明的襯底材料為低阻光增益半導(dǎo)體，所以當接受光輻照時相比高阻光增益半導(dǎo)體會產(chǎn)生更多的光生載流子，這進一步提高了本發(fā)明的光伏器件的光電轉(zhuǎn)換效率。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置的截面結(jié)構(gòu)的示意圖，光伏裝置包括光伏器件100和光源200，其中，光伏器件100包括低阻光增益半導(dǎo)體襯底1；位于低阻光增益半導(dǎo)體襯底1上的絕緣層2；絕緣層2的暴露出低阻光增益半導(dǎo)體襯底1的一部分的開口21；石墨烯層3，所述石墨烯層3的一部分位于所述開口21中的所述低阻光增益半導(dǎo)體1上，另一部分位于所述絕緣層2上；位于開口21中的第一電極41，所述第一電極41的一部分與低阻光增益半導(dǎo)體襯底1接觸，另一部分與石墨烯層3接觸；位于絕緣層2和石墨烯層3上的第二電極42，所述第二電極42的一部分與石墨烯層3接觸，另一部分與絕緣層2接觸；以及分別與第一和第二電極41、42電連接的第一和第二引線51、52。圖2為圖1所示的光伏裝置中光伏器件100的俯視圖，可以看出，在該實施例中，所述第一電極41為柵狀。

本發(fā)明的光伏器件中的低阻光增益半導(dǎo)體襯底1除了作為絕緣層2、石墨烯層3和第一、第二電極41、42的支撐襯底外，更重要的是將低阻光增益半導(dǎo)體襯底1作為感光材料，當能量大于所述低阻光增益半導(dǎo)體襯底帶隙的光照射到所制備的光伏器件上時，低阻光增益半導(dǎo)體襯底較大的光吸收體積和較低的電阻率增強了對比其帶隙能量高的光子能量的吸收，從而在低阻光增益半導(dǎo)體襯底中產(chǎn)生大量的光生載流子。另外，為了隔離低阻半導(dǎo)體襯底的漏電行為，在所述低阻半導(dǎo)體襯底上涂覆絕緣層2。

本發(fā)明的光伏器件中的絕緣層2的開口21中的第一電極41除了作為本發(fā)明的光伏器件的一個電極外，還接收從低阻光增益半導(dǎo)體襯底1和石墨烯層3向第一電極41轉(zhuǎn)移的光生載流子。根據(jù)本發(fā)明的實施例，優(yōu)選 地，第一和第二電極41和42為金屬電極。由于費米能級在低阻光增益半導(dǎo)體材料與石墨烯以及低阻光增益半導(dǎo)體材料與電極材料在界面處的平衡要求，在界面處形成有利于光生載流子由低阻光增益半導(dǎo)體襯底向石墨烯或電極漂移的電場。該內(nèi)建電場有助于光生載流子由光增益半導(dǎo)體襯底向石墨烯和電極快速轉(zhuǎn)移。進一步說明，當光照引起光增益半導(dǎo)體襯底向石墨烯層3上的電極41上轉(zhuǎn)移載流子時，由于電極42下的石墨烯層與光增益半導(dǎo)體1被絕緣層2隔開，載流子不能轉(zhuǎn)移至電極42，這樣就導(dǎo)致在石墨烯層3的兩端電極之間產(chǎn)生費米能級差，從而產(chǎn)生光伏效應(yīng)。

本發(fā)明的光伏器件中的石墨烯層3作為兩電極間的連接媒介，其在兩個電極41、42之間的尺寸(包括長度和寬度)直接影響光伏電壓的大小。原則上，若兩個電極41、42之間的石墨烯層越長和越窄，則其光伏效應(yīng)越突出，本發(fā)明的光伏裝置的光電轉(zhuǎn)換效率達到3％。另外，在短路條件下，該光伏電壓會在石墨烯中產(chǎn)生光電流響應(yīng)，該光伏器件還可充當超快光電探測器。

以下通過具體示例說明本發(fā)明的光伏裝置。

參照圖1和圖2說明本發(fā)明的光伏裝置的具體示例，其包括光伏器件100和可見光光源200，光伏器件100包括低阻n型或p型摻雜Si襯底1；位于Si襯底1上的SiO₂絕緣層2；SiO₂絕緣層2的暴露出所述Si襯底的開口21；石墨烯層3，所述石墨烯層3的一部分位于所述開口21中的所述Si襯底1上，另一部分位于所述絕緣層2上；位于開口21中的Ti/Au柵狀電極41，所述Ti/Au柵狀電極41的一部分與Si襯底1接觸，另一部分與石墨烯層3接觸；位于絕緣層2和石墨烯層3上的Ti/Au塊狀電極42，所述Ti/Au塊狀電極42的一部分與石墨烯層3接觸，另一部分與絕緣層2接觸；以及分別與第一和第二電極41、42電連接的第一和第二引線51、52。其中，Si襯底1的厚度為350μm；兩個電極之間的石墨烯層3的長×寬為100μm×10μm。

實驗發(fā)現(xiàn)：由于Si帶隙小于可見光波段對應(yīng)的光子能量，當用可見光光源照射到所制備的光伏器件的Ti/Au柵狀電極41上時，能夠激發(fā)照射區(qū)Si半導(dǎo)體價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶；同時，在Si中產(chǎn)生的光生載流子在Si襯底與石墨烯層的界面電場(如圖3和圖4所示)或Si襯底與Ti/Au柵狀電極的界面電場(如圖5和圖6所示)作用下快速轉(zhuǎn)移到可見光照射 的石墨烯層和Ti/Au柵狀電極上，致使與石墨烯接觸的Ti/Au柵狀電極41的費米能級降低(轉(zhuǎn)移空穴，如圖3所示)或升高(轉(zhuǎn)移電子，如圖4所示)，而絕緣層2上的金屬電極42的費米能級不變，則電極41和電極42之間產(chǎn)生電勢能差(如圖7和圖8所示)，從而在開路條件下在電極兩端產(chǎn)生幾十甚至幾百毫伏的電壓差。作為對比，圖9示出了無光照情況下石墨烯3與金屬電極41和42的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是本發(fā)明的另一示例的光伏裝置中光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。在該示例中未示出的光源為能量大于2.3eV的532nm的綠光；低阻光增益半導(dǎo)體襯底1采用GaP單晶片；絕緣層2采用SiN薄膜；石墨烯層3采用與上述示例相同的配置；第一電極41為Ti/Au柵狀電極，第二電極42為Ti/Au塊狀電極；第一和第二引線51、52分別與第一和第二電極41、42電連接。其中，GaP單晶片的厚度為300μm；兩電極之間石墨烯層的長×寬為50μm×3μm。

圖11是本發(fā)明的又一示例的光伏裝置中光伏器件的結(jié)構(gòu)示意圖。在該示例中未示出的光源為包含能量大于Si和GaAs帶隙能量的632nm的紅光光源；光增益半導(dǎo)體襯底1采用外延生長在導(dǎo)電Si襯底(厚度300μm)上的n型導(dǎo)電GaAs薄膜(其厚度為100nm)；絕緣層2采用SiN薄膜；石墨烯層3采用與上述示例相同的配置；第一電極41和第二電極42皆為透明的ITO電極，光源發(fā)出的光輻照開口處的整個電極；第一和第二引線51、52分別電連接至第一和第二電極41、42。其中，兩電極之間石墨烯層的長×寬為100μm×10μm。

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，低阻光增益半導(dǎo)體襯底的材料為低阻有機或無機半導(dǎo)體材料；

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，低阻光增益半導(dǎo)體襯底為SiC，光源為紫外光；

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，第一電極與第二電極可為金屬電極材料或透明的ITO材料；優(yōu)選的，為了減小光增益半導(dǎo)體襯底上開口處電極對輻照光源的吸收，開口處的電極形狀并不限于柵狀，其可為本領(lǐng)域公知的任意形狀的鏤空結(jié)構(gòu)電極。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明中，對電極的具體形狀不作任何的限定，并且，所述開口處的電極非鏤空也在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，當采用多層半導(dǎo)體薄膜作為感光材料時，沿著遠離支撐襯底方向的每層半導(dǎo)體薄膜的電子親和能和禁帶寬度依次逐漸增大，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)在太陽光的照射下所有感光材料能夠有效吸收輻照光，并且薄膜中的光生載流子能快速轉(zhuǎn)移到石墨烯和輻照的電極上。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明中，對所述的半導(dǎo)體薄膜的層數(shù)不作任何的限定；本領(lǐng)域的研究人員可根據(jù)本專利的技術(shù)思想設(shè)計和搭配合適的半導(dǎo)體薄膜材料，實現(xiàn)最大的光伏效應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，本發(fā)明的光伏器件可以采用本領(lǐng)域公知的引線以外的其他方式連接外電路。

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，本發(fā)明的光伏器件還可以包括將光增益半導(dǎo)體襯底、絕緣層、石墨烯層、電極和引線進行封裝的封裝殼體，所述封裝殼體具有通光窗口；且該通光窗口能確保輻照光能有效照射到絕緣層的開口中的電極。

綜上所述，本發(fā)明提供的光伏裝置的光伏效應(yīng)突出，光電轉(zhuǎn)換效率高，其光伏器件中光增益半導(dǎo)體材料及金屬電極材料的選擇余地大，器件工藝簡單，尺寸小，且與現(xiàn)有大規(guī)模集成電路工藝兼容性好，制造成本低廉；

另外，本發(fā)明提供的光伏裝置綜合利用了光增益半導(dǎo)體材料對比其帶隙能量高的光子的高效吸收、光增益半導(dǎo)體材料中光生載流子快速轉(zhuǎn)移到石墨烯和電極，并在石墨烯兩端的電極之間建立費米能級差，從而實現(xiàn)光伏效應(yīng)。在短路條件下，由于石墨烯優(yōu)良的電子輸運特性，可以實現(xiàn)對輻照光的超快響應(yīng)和靈敏探測。因此本發(fā)明的光伏器件可以作為無需電源的超快、靈敏光探測器。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實施例進行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。