專利名稱：一種氧化鋅基有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導體太陽電池，特別涉及一種氧化物半導體納米材料太
陽電池，它利用極化場效應(yīng)釆用有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)，無需p-n結(jié)實現(xiàn)光伏輸出的太陽電池。
背景技術(shù)：
當前，在太陽電池制備技術(shù)中，如何實現(xiàn)對太陽全光譜的充分吸收、提髙光生載流子的產(chǎn)生效率和促進電子-空穴分離以及降低成本，一直是解決太陽能電池產(chǎn)業(yè)化規(guī)模應(yīng)用的核心關(guān)鍵問題。納米技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為提髙太陽電池的效率提供了新的解決思路。在納米尺度的材料和結(jié)構(gòu)中，由于量子限域效應(yīng)，宏觀固體的準連續(xù)能帶消失，在受限方向出現(xiàn)分立能級，可以實現(xiàn)對能帶的量子調(diào)控，是更有效利用太陽能資源的物理基礎(chǔ)。
氧化鋅(Zn0)是一種典型的直接帶隙寬禁帶半導體材料，室溫下的帶隙寬度為3.37eV，激子激活能達到60meV，是一種優(yōu)異的藍紫、紫外半導體發(fā)光材料。除了寬禁帶，髙的激子束縛能，ZnO還具有易于低成本制備成納米結(jié)構(gòu)的特點，近年來ZnO的低維納米結(jié)構(gòu)，如納米線、納米帶、納米管、納米柱等相繼被制備出來，并以其獨特的光電特性引起了學術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注[A. Wei， X. W. Sun, C丄Xu, Z丄Dong， M. B. Yu， W. Huang， Appl. Phys. Lett.，88 (2006) 213102-4: Chang Pai-Chun, Chien Chung-Jen, Stichtenoth Daniel,Ronning Carsten， Lu Jia Grace, Appl. Phys. Lett., 90(2007) 113101-3,N. E, Hsu, W丄Hung and Y, F, Chen, J. Appl. Phys., 96 (8), p4671]。人們探索了很多的方法和技術(shù)合成ZnO納米線/納米柱，如物理氣相沉積、化學氣相沉積、溶膠凝膠法、激光沉積法、水溶液法、模板法等等。
除了髙的禁帶寬度，大的激子激活能，ZnO的另一個特點是它為一種極性晶體，沿c軸方向具有非常髙的自發(fā)極化和壓電極化場強度，其值比一般的III-V或II-VI族半導體髙10倍左右，其自發(fā)極化場強度達到<^=-0. 057Cm—2。利用Zn0沿晶體c軸方向的強極化效應(yīng)及其髙的禁帶寬度，以Zn0納米柱和有機聚合物相復(fù)合，制備有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)的太陽電池的技術(shù)未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種響應(yīng)廣譜寬、光電轉(zhuǎn)換效率高，且無需p-n結(jié)的新型結(jié)構(gòu)的半導體基的有機/無機納米復(fù)合型太陽電池。
為達到上述目的，本發(fā)明技術(shù)方案提供一種有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池，它包括上、下層金屬電極，透明導電電極和太陽電池工作區(qū)，所述的太陽電池工作區(qū)結(jié)構(gòu)為在導電襯底材料上生長沿c軸方向的氧化鋅基材料納米柱陣列，以有機聚合物材料填充沿c軸方向的氧化鋅基材料納米柱陣列的間隙；所述納米柱的平均直徑為30 1000nm,高度為100n邁 10nm，柱間間距為30 200mn。
所述的氧化鋅基材料為氧化鋅及其摻雜物或化合物，包括ZnO, In-Zn-O，Al-Zn-0, Ga-Zn-O, Zr-Zn-0, Mg-Zn-0和Si-Zn-0。
所述的導電襯底材料包括GaN， A1N， InN， GaAs, InGaAs, InP， SiC， Si，LiA102和GaLi02，以及氧化鋅及其摻雜物或化合物，包括ZnO， In-Zn-O, Al-Zn-0，Ga-Zn-O, Zr-Zn-0, Mg-Zn-O和Si-Zn-0 。
所述的有機聚合物為對太陽光譜范圍內(nèi)吸收太陽能產(chǎn)生激子的有機材料，包括聚3-己基噻酚(P3HT)和聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基〉-l,4-苯撐乙烯撐](MEH-PPV)。
本發(fā)明技術(shù)方案所采用的納米柱結(jié)構(gòu)排布，構(gòu)成具有二維光子晶體結(jié)構(gòu)的納米柱陣列，達到對太陽光能量的最大限度的吸收和減反；所述的有機聚合物吸收太陽光產(chǎn)生激子，激子被分解為正、負載流子，傳輸?shù)降锛{米柱，利用納米柱沿c軸方向的強極化場自發(fā)分離電子空穴對，電子空穴沿納米柱傳輸?shù)郊{米柱的兩端被電極收集，實現(xiàn)光伏輸出。
本發(fā)明的原理是利用沿c軸ZnO的自發(fā)極化能實現(xiàn)光生載流子電子和空穴自發(fā)有效分離的特點，并結(jié)合有機光電功能材料的優(yōu)點(成本低廉、可大面積制備在柔性襯底上、太陽吸收光譜可調(diào)制)，把有機光電功能材料和ZnO基低維納米柱結(jié)構(gòu)相結(jié)合，以寬光譜響應(yīng)的有機聚合物材料填充沿c軸方向的ZnO基納米柱陣列來制備太陽電池結(jié)構(gòu)。設(shè)計這種有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)的中心目 的是提髙器件開路電壓及光電轉(zhuǎn)化效率。有機共軛聚合物激子擴散長度只有 lOnm左右，因此，難以實現(xiàn)髙的電荷分離效率。而為了達到髙的電荷分離效率， 一般要求有機薄膜中的電子給體和其它受體形成納米尺度的相分離。本發(fā)明采 用ZnO基納米柱陣列結(jié)構(gòu)，并在納米柱間填充有機共軛聚合物，納米柱之間的 間距只有幾十個納米，這樣有機材料承擔吸收大部分太陽光，產(chǎn)生的激子被分 解為正負電荷載流子，隨后被傳輸給Zn0基納米柱，并在ZnO基納米柱內(nèi)極化 場的作用下自發(fā)實現(xiàn)電子空穴對的自主有效分離，無需P-n結(jié)而實現(xiàn)電子空穴 的有效分離，在ZnO基納米柱的兩端被電極收集，實現(xiàn)光伏輸出。 本發(fā)明具有以下顯著的優(yōu)點
1. Zn0材料具有易于低成本制備成各種納米結(jié)構(gòu)如納米柱、納米線的特點，
從能夠降低太陽電池的制造成本。
2. 本發(fā)明采用以寬光譜響應(yīng)的有機共軛聚合物填充于ZnO基材料納米柱之 間的技術(shù)方案，使有機物通過設(shè)計達到對寬光譜范圍的太陽光的有效吸收，并 產(chǎn)生光生載流子。
3. 有機物被激發(fā)的正負電荷載流子被髙效傳輸、注入到ZnO納米柱的能帶 中，ZnO納米柱間的間距只有幾十至幾百納米，克服了有機物載流子擴散長度 過短，電荷分離和收集效率過低的問題。
4. 充分利用了沿c軸方向ZnO的強自發(fā)極化場來實現(xiàn)電子空穴對的自發(fā)有 效分離。其突出特點利用材料沿特定晶體方向的自發(fā)極化電場，而不是P-n結(jié) 內(nèi)建電場來實現(xiàn)電荷分離。
5. 本發(fā)明提供的太陽電池工作區(qū)的輸出電壓只與ZnO的帶隙寬度有關(guān)，而 與有機物中光生載流子本身的能量無關(guān)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)器件的高斷路電壓輸出， 為提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率提供了途徑。


圖l是本發(fā)明實施例提供的有機/無機納米復(fù)合型結(jié)構(gòu)太陽電池的剖面示意
圖；其中，1、上層金屬電極；2、透明導電電極；3、有機聚合物填充材料；4、
ZnO基材料納米柱；5、導電材料襯底；6、下層金屬電極。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步描述。 實施例
參見附圖1,它是本實施例提供的有機/無機納米復(fù)合型結(jié)構(gòu)太陽電池的剖 面示意圖。由圖1可以看出，它包括上層金屬電極1、下層金屬電極6,透明導 電電極2和太陽電池工作區(qū)。透明導電電極安裝在太陽電池工作區(qū)的頂部，再 與上層金屬電極接觸，下層金屬電極安裝在太陽電池工作區(qū)的底部。
透明導電電極采用摻雜的n型導電ZnO,該Zn0層是近年來快速發(fā)展中的 透明電極材料，可以采用電子束蒸發(fā)或者真空濺射的方法在低溫下沉積，達到 封裝、電荷收集和保護有機填充物的目的。
太陽電池工作區(qū)由Zn0基納米柱4、導電材料襯底5和有機聚合物填充材 料3組成，在導電材料襯底上生長制備ZnO基納米柱陣列，以有機聚合物材料 填充沿c軸方向的ZnO基納米柱陣列的間隙。太陽電池工作區(qū)中的主要結(jié)構(gòu)件 如下
1) ZnO基材料納米柱
本實施例采用電子束蒸發(fā)的方法制備Zn0基納米柱，也可采用低溫真空濺 射的方法，在導電襯底上制備Zn0基納米柱，形成陣列。納米柱平均直徑為30 1000nm,髙度為100nm 10nm，柱間間距為30 300nm。
氧化鋅基納米柱的材料還包括氧化鋅摻雜物或化合物，如ZnO, In-Zn-O， Al-Zn-O, Ga-Zn-O, Zr-Zn-O， Mg-Zn-O和Si-Zn-O。
2) 導電襯底材料
本發(fā)明所采用的導電襯底材料包括GaN， A1N， InN, GaAs, InGaAs， InP， SiC， Si， LiA102和GaLi02，以及氧化鋅及其摻雜物或化合物，包括ZnO, In-Zn-0, Al-Zn-O， Ga-Zn-O, Zr-Zn-O， Mg-Zn-O和Si-Zn-O 。
3) 有機聚合物填充材料
有機聚合物的選擇要充分考慮寬光譜響應(yīng)的目標，本實施例采用在300 700nm有很強的吸收的有序結(jié)構(gòu)聚3-己基噻酚(P3HT),摻雜長波吸收的釕金屬 磷光配合物，實現(xiàn)對太陽光的寬光譜吸收。還可采用聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯撐乙烯撐](MEH-PPV)。
有機聚合物填充材料在ZnO納米柱間的填充可通過自組裝或等離子處理等 手段，有機聚合物填充在Zn0納米柱間時，形成髙質(zhì)量的聚合物/ZnO納米柱微 結(jié)構(gòu)接觸界面，另外，還可結(jié)合退火處理使聚合物空穴遷移率提髙。
本電池結(jié)構(gòu)充分利用了沿c軸方向ZnO的強自發(fā)極化場來實現(xiàn)電子空穴對 的自發(fā)有效分離，突出了沒有p-n結(jié)的電池結(jié)構(gòu)設(shè)計特點。另外，結(jié)構(gòu)的輸出 電壓只取決于寬帶隙ZnO半導體的禁帶寬度，而與有機物中光生載流子本身的 能量無關(guān)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)器件的髙斷路電壓輸出。發(fā)明的中心目的是提高器件 的斷路電壓，從而提髙太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
權(quán)利要求
1.一種氧化鋅基有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池，它包括上、下層金屬電極，透明導電電極和太陽電池工作區(qū)，其特征在于所述的太陽電池工作區(qū)結(jié)構(gòu)為在導電襯底材料上生長沿c軸方向的氧化鋅基材料納米柱陣列，以有機聚合物材料填充沿c軸方向的氧化鋅基材料納米柱陣列的間隙；所述納米柱的平均直徑為30～1000nm，高度為100nm～10μm，柱間間距為30～200nm。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池，其特征在于 所述的氧化鋅基材料為氧化鋅及其摻雜物或化合物，選自ZnO， In-Zn-O， Al-Zn-0, Ga-Zn-O, Zr-Zn-0， Mg-Zn-0或Si-Zn-O。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池，其特征在于 所述的導電襯底材料選自GaN, A1N, InN， GaAs, InGaAs， InP, SiC， Si， LiA102 或GaLi02,以及氧化鋅及其摻雜物或化合物，選自ZnO, In-Zn-O， Al-Zn-O, Ga-Zn-0， Zr-Zn-O， Mg-Zn-0或Si-Zn-O e
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池，其特征在 于所述的有機聚合物為對太陽光譜范圍內(nèi)吸收太陽能產(chǎn)生激子的有機材料， 選自聚3-己基噻酚(P3HT)或聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1,4-苯撐乙烯撐](MEH-PPV)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化鋅基有機/無機雜化納米結(jié)構(gòu)太陽電池。它的太陽電池工作區(qū)結(jié)構(gòu)為在襯底上制備氧化鋅基納米柱陣列，通過確定納米柱的排布與柱間距，構(gòu)成二維光子晶體結(jié)構(gòu)，達到對太陽光能量的最大限度的吸收和減反；同時以有機聚合物材料填充沿c軸方向的納米柱陣列的間隙，納米柱間的有機填充聚合物吸收太陽光產(chǎn)生激子，激子被分解為正、負載流子，并傳輸?shù)絑n0基材料納米柱，利用氧化鋅納米柱沿c軸方向的強極化場自發(fā)分離電子空穴對，電子空穴沿納米柱傳輸?shù)郊{米柱的兩端被電極收集，無需p-n結(jié)而實現(xiàn)光伏輸出；它的輸出電壓只與ZnO的帶隙寬度有關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)器件的高斷路電壓輸出，為提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率提供了途徑。
文檔編號H01L51/46GK101552322SQ20091003136
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月30日
發(fā)明者張桂菊, 冰 曹, 琴 韓 申請人:蘇州大學