本發(fā)明屬于半導體技術領域，尤其涉及一種光伏裝置以及一種產生光伏效應的方法。

背景技術：

自從1947年貝爾實驗室的科學家巴丁(John Bardeen)和布拉頓(Walter Brattain)發(fā)明了半導體晶體管之后，PN結作為現(xiàn)代半導體器件的基本結構單元在現(xiàn)代半導體光電組件和系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。基于PN結原理的光伏效應，貝爾實驗室于1954年第一次做出了光電轉換效率為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)半導體PN結復雜的器件工藝和較大的器件尺寸限制了其廣泛應用，尤其在微納器件和柔性器件的應用中有較大的局限性。

隨著石墨烯新型二維材料的出現(xiàn)，石墨烯優(yōu)異的光電性能和只有單原子層的厚度為基于石墨烯的器件提供了機會。2010年Thomas Mueller等人在nature Photonics上發(fā)表的“Graphene photodetectors for high-speed optical communications”以及2013年Rujie Sun等人在Applied Physics Letters上發(fā)表的“Tunable photoresponse of epitaxial graphene on SiC”分別公開了一種基于石墨烯的光伏器件，但是這兩篇文獻中，光伏效應的產生都基于光熱電效應，要求光伏器件的襯底盡可能對輻照光沒有吸收作用，這樣就大大限制了光源的選擇范圍。同時，在上述文獻中對輻照光的吸收是通過金屬或石墨烯來實現(xiàn)的。由于光熱電效應的特點以及石墨烯單原子層厚的特征，現(xiàn)有技術中基于石墨烯的光伏器件對輻照光的吸收率僅有2.3％，光電轉換效率低。

技術實現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術中的不足，提供了一種充 分利用各組成部分(包括襯底、金屬電極和石墨烯)優(yōu)勢的高靈敏光伏裝置，包括光源和光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，其中，所述光源發(fā)射的光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底的帶隙。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述高阻光增益半導體襯底為高阻有機半導體或高阻無機半導體。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述高阻光增益半導體襯底為單一塊體或生長在襯底上的半絕緣薄膜。

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，所述高阻光增益半導體襯底為SiC，或者所述光源為可見光源，所述高阻光增益半導體襯底為GaP或GaAs。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述高阻光增益半導體襯底的厚度大于50nm。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述石墨烯層在所述第一電極和所述第二電極間的長度大于3μm。

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

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述金屬電極的電子功函數(shù)與所述高阻光增益半導體襯底的電子功函數(shù)的差大于0.1eV。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，所述第一電極和所述第二電極采用相同的金屬。

根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置，優(yōu)選地，還包括所述第一電極或者所述第二電極之上的不透光的涂覆層。

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，還包括將所述高阻光增益半導體襯底、所述石墨烯層、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)明還提供了一種產生光伏效應的方法，包括采用光源輻照光伏器件，所述光伏器件包括高阻光增益半導體襯底，位于所述高阻光增益半導體襯底上的石墨烯層，位于所述高阻光增益半導體襯底和所述石墨烯層上的第一電極和第二電極，其中，所述第一電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述第二電極的一部分與所述高阻光增益半導體襯底接觸，另一部分與所述石墨烯層接觸，所述方法包括：用其光的能量大于所述高阻光增益半導體襯底帶隙的光源照射所述光伏器件。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的光伏裝置充分利用了石墨烯器件的支撐襯底對比其帶隙能量高的輻照光的有效吸收，產生的大量載流子快速轉移到石墨烯器件的金屬電極上，如果光伏裝置的合適配置使得在石墨烯電極兩端建立電壓差，就會產生光伏效應。由于石墨烯器件的支撐襯底是體材料或薄膜材料，其對輻照光的吸收強。相對于現(xiàn)有技術方案，本發(fā)明的光伏裝置的光伏效應更明顯，光電轉換效率更高。本發(fā)明的光伏裝置可廣泛應用于有機、無機半導體材料體系制備柔性、微納尺度的光伏元器件。特別是在短路情況下，該光伏裝置還可作為無需外部電源的超快、靈敏光探測器。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明的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構的示意圖；

圖2為圖1所示的光伏裝置中光伏器件100的俯視圖，未示出引線；

圖3為金屬電極Ti與SiC異質結界面的能帶結構示意圖，其中E_C、E_V和E_F分別表示SiC的導帶、價帶和費米能級；

圖4為有光照情況下石墨烯與金屬電極Ti的能帶結構示意圖，其中，ΔE為在光子能量為hν(其能量大于高阻光增益半導體的帶隙)的光輻照左側電極的情況下，在石墨烯兩端產生的費米能級差；

圖5為無光照情況下石墨烯與金屬電極Ti的能帶結構示意圖；

圖6為石墨烯與SiC異質結界面的能帶結構示意圖；

圖7為本發(fā)明的具體示例的光伏器件在短路條件下的光電流響應曲線；

圖8為本發(fā)明另一示例的光伏裝置中的光伏器件結構的俯視示意圖；

圖9為本發(fā)明又一示例的光伏裝置中的光伏器件結構的截面結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的，技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖通過具體實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，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。

為了充分利用和挖掘基于石墨烯的光伏器件中所有參與部件的作用，本發(fā)明提出了一種襯底對輻照光可吸收的光伏裝置。由于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生的光生載流子能在襯底/金屬界面電場和襯底/石墨烯界面電場的作用下快速轉移到金屬電極或石墨烯，引起金屬電極或石墨烯費米能級的改變。通過采用非對稱的金屬電極或者非對稱的輻照光，本發(fā)明的光伏裝置在襯底可吸收的輻照光的照射下，快速在石墨烯兩端的金屬電極間建立起電壓，從而產生光伏電壓。而且本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的光伏裝置產生的光伏電壓實際上是襯底吸收產生的光伏效應以及金屬電極和石墨烯的光熱電效應的疊加的結果，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換效率遠高于現(xiàn)有技術的光伏器件的光電轉換效率。

第一實施例

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的光伏裝置的截面結構的示意圖，包括光伏器件100和用于輻照光伏器件100的光源200，光伏器件100包括高阻光增益半導體襯底1，位于高阻光增益半導體襯底1上的石墨烯層2，位于高阻光增益半導體襯底1和石墨烯層2上的第一電極31和第二電極32，以及分別與第一、第二電極31、32電連接的第一、第二引線41、42，其中，第一電極31的一部分與高阻光增益半導體襯底1接觸，另一部分與石墨烯層2接觸，第二電極32的一部分與高阻光增益半導體襯底1接觸，另一部分與石墨烯層2接觸。圖2為圖1所示的光伏裝置中光伏器件100的俯視圖，其中未示出第一、第二引線41、42。，

本發(fā)明的光伏裝置中光伏器件的高阻光增益半導體襯底1除了作為石墨烯層2和第一、第二電極31、32的支撐襯底外，更重要的是將高阻光 增益半導體襯底1作為感光材料，當光源發(fā)出的能量大于高阻光增益半導體襯底帶隙的光照射到所制備的光伏器件上時，高阻光增益半導體襯底較大的光吸收體積增強了對比其帶隙能量高的光子能量的吸收，從而在高阻光增益半導體襯底中產生大量的光生載流子。

本發(fā)明的光伏裝置中光伏器件的電極31和32除了作為本發(fā)明的光伏器件的兩端電極外，還接收從高阻光增益半導體襯底1向電極31或電極32轉移的光生載流子。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，優(yōu)選地，電極31和32為金屬電極。更加優(yōu)選地，金屬電極的電子功函數(shù)與高阻光增益半導體襯底的電子功函數(shù)差別較大(其差應大于0.1eV)。由于費米能級在高阻光增益半導體材料與金屬電極界面處的平衡要求，在界面處形成有利于光生載流子由高阻光增益半導體襯底向金屬電極漂移的電場。該內建電場有助于光生載流子由高阻光增益半導體襯底向金屬電極快速轉移。本領域技術人員很容易理解，當光照引起高阻光增益半導體襯底向石墨烯層2的兩端處電極31和32上轉移載流子的速率不同時，就會導致在石墨烯層2的兩端電極上產生費米能極差，從而產生光伏效應。然而，為了在光照情況下在石墨烯層2的兩端處電極31和32上形成不同的費米能級，可通過下面兩種情況實現(xiàn)：第一，電極31和32對稱，即電極31和32的材料種類及其在高阻光增益半導體襯底上的面積都相同，這種情況下，光源發(fā)出的光只照射兩個電極31或32中的一個，就會使得被照射電極的費米能級發(fā)生變化，從而使兩個電極產生費米能極差，本領域技術人員很容易理解，也可以在兩個電極之一上涂覆不透光層，這時，光源發(fā)出的光均勻地輻照整個器件就會使兩個電極產生費米能極差。當然，也可以理解，如果光源為包含發(fā)射不同光的兩個光源的光源組，或者通過另外的分束器件將光源發(fā)出的光分成不同的兩束，兩束不同的光分別照射到兩個電極31和32上，也會使兩個電極產生費米能級差；第二，電極31和32不對稱，即電極31和32的材料不同或者在高阻光增益半導體襯底上的面積不同或者兩者都不同，這種情況下，對光源發(fā)出的光照射整個器件還是單個電極沒有限定，最簡單地，光源發(fā)出的一束均勻光照射整個器件即可。很顯然，前一種情況的器件制備工藝更簡單，更容易操作。

本發(fā)明的光伏裝置中光伏器件的石墨烯層2作為兩電極間的連接媒介，其在兩個電極31、32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，兩個電極31、32之間的石墨烯層越長和越窄，其 光伏效應越突出。同時，石墨烯層2還接收從高阻光增益半導體襯底1轉移的光生載流子，使其費米能級發(fā)生改變，從而影響短路光電流的響應規(guī)律。基于短路光電流探測，該光伏器件可充當超快光探測器。

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和紫外光源200，光伏器件100包括SiC襯底1，位于SiC襯底1上的石墨烯層2，位于SiC襯底1和石墨烯層2上的Ti金屬電極31和Ti金屬電極32，Ti金屬電極31的一部分與SiC襯底1接觸，另一部分與石墨烯層2接觸，以及Ti金屬電極32一部分與SiC襯底1接觸，另一部分與石墨烯層2接觸。其中，SiC襯底1的厚度為350μm；兩個電極之間的石墨烯層的長×寬為100μm×10μm。

實驗發(fā)現(xiàn)：如果能量大于SiC帶隙的紫外光照射到所制備的光伏器件的其中一個電極上，能夠激發(fā)照射區(qū)SiC價帶中的電子躍遷到導帶。而在SiC中產生的光生載流子在SiC與金屬電極(金屬Ti)的界面電場作用下(如圖3所示)，快速轉移到紫外光照射的金屬電極上，致使石墨烯與金屬接觸的兩端電極處的費米能級之間存在電勢能差(如圖4所示)，從而在電極兩端可以產生幾十甚至幾百毫伏的電壓差。作為比較，圖5示出了無光照情況下石墨烯與金屬電極的能帶結構示意圖。

另外，在石墨烯與SiC形成的異質結界面處，在SiC中產生的光生載流子同樣可以由SiC的導帶轉移到石墨烯中。然而由于石墨烯的電子功函數(shù)與SiC的電子功函數(shù)接近，在石墨烯與SiC的異質結界面處的能帶彎曲較小(如圖6所示)，石墨烯中的電子能量與SiC的價帶電子能量接近的電子會回流到SiC的價帶，致使石墨烯中凈載流子的數(shù)量不變或變化較小。圖7是在短路條件下，不同功率的325nm的紫外光僅僅輻照大面積電極31的情況下，光電流響應曲線(由下至上的曲線分別對應于0mW(無光)、2mW、3mW、5mW和10mW的紫外光輻照下的光電流響應規(guī)律)，各條曲線與橫軸的交點處對應的外加電壓值的大小即等于光伏器件所產生的光伏電壓的大小。

圖8是本發(fā)明的另一示例的光伏裝置中光伏器件的結構示意圖。在該示例中，未示出的光源為能量大于2.3eV的532nm的綠光；高阻光增益半導體襯底采用GaP單晶片；第一電極31為Ti金屬，第二電極32為Pt金屬。其中，GaP單晶片的厚度為300μm；第一電極31的面積與第二電 極32的面積相等；兩電極之間石墨烯層的長×寬為10μm×3μm。

圖9是本發(fā)明的又一示例的光伏裝置中光伏器件的結構示意圖。在該示例中，未示出的光源為能量大于1.42eV的632nm的紅光；高阻光增益半導體襯底采用外延生長在Si襯底上的半絕緣GaAs薄膜；第一電極31和第二電極32皆為Ti金屬。其中，GaAs薄膜的厚度為100nm；兩電極之間石墨烯層的長×寬為5μm×3μm。

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，高阻光增益半導體襯底的材料為有機或無機半導體材料，襯底的厚度大于50nm；

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，第一電極與第二電極為相同的金屬，優(yōu)選的，高阻光增益半導體襯底上的其中一個電極之上涂覆不透光層。本領域技術人員可以理解，在本發(fā)明中，對電極的形狀不作任何的限定；

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，第一電極與第二電極為不同的金屬。優(yōu)選地，如果兩個電極的電子功函數(shù)皆小于高阻光增益半導體1的電子功函數(shù)，則光源發(fā)出的光應最大程度的照射在電子功函數(shù)相對較小的金屬電極高阻光增益半導體襯底上。如果一個電極的功函數(shù)小于高阻光增益半導體1的功函數(shù)，而另一個電極的電子功函數(shù)大于高阻光增益半導體1的電子功函數(shù)，則光源發(fā)出的光在兩個金屬電極上的照射方式?jīng)]有嚴格的限定。可以采用本領域公知的方式實現(xiàn)光源所發(fā)射光束的照射方式和方向。

根據(jù)本發(fā)明的其他示例，在兩個金屬電極間石墨烯層的長度大于3μm。

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高阻光增益半導體襯底、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。

為了體現(xiàn)本發(fā)明的效果，發(fā)明人進行了比較實驗，采用功率為10mW的325nm的紫外光源(光斑直徑約為150μm)輻照本發(fā)明具體示例的光伏裝置中的光伏器件的一個電極，實驗結果表明產生光伏電壓為大約80毫伏。另外，采用632nm的可見光輻照本發(fā)明具體示例的光伏裝置，產生的光伏電壓幾乎不可分辨。

綜上所述，本發(fā)明提供的光伏裝置的工作原理完全不同于現(xiàn)有技術的光伏器件，該光伏裝置綜合利用了高阻光增益半導體材料對比其帶隙能量高的光子的高效吸收、高阻光增益半導體材料中光生載流子快速轉移到金屬電極 和石墨烯，并在石墨烯電極兩端建立費米能級差，從而實現(xiàn)光伏效應。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。

另外，本發(fā)明的光伏裝置的高阻光增益半導體材料可以是有機半導體、無機半導體薄膜材料，選擇范圍寬；金屬電極材料的選擇余地大；光伏裝置的器件工藝簡單，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。

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。