[發(fā)明專(zhuān)利]無(wú)機(jī)與有機(jī)混合太陽(yáng)能電池

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210010929.3
• 申請(qǐng)日: 2012-01-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102522505A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮倩;李倩;郝躍;王強(qiáng);邢濤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L51/42
• 分類(lèi)號(hào): H01L51/42;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專(zhuān)利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種無(wú)機(jī)與有機(jī)物混合太陽(yáng)能電池。可用于商用和民用的發(fā)電系統(tǒng)。

技術(shù)背景

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展一方面加大了對(duì)能源的需求，引發(fā)能源危機(jī)，另一方面在常規(guī)能源的使用中釋放出大量二氧化碳?xì)怏w，導(dǎo)致全球性的“溫室效應(yīng)”。為此，各國(guó)力圖擺脫對(duì)常規(guī)能源的依賴(lài)，加速發(fā)展可再生能源，作為一種非常重要的可再生能源。太陽(yáng)能具有安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染，能量隨處可得，不受地域限制，無(wú)須消耗燃料，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)便，可以無(wú)人職守，建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意，無(wú)須架輸電線路，可以方便地與建筑物相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)使得世界各國(guó)對(duì)利用太陽(yáng)能發(fā)電充滿了濃厚的興趣。

太陽(yáng)能電池主要由光吸收層、電子傳輸層、空穴傳輸層以及陰陽(yáng)兩個(gè)電極組成。當(dāng)太陽(yáng)光照射在電池的光吸收層上后，光吸收層吸收太陽(yáng)光子通過(guò)光子激發(fā)形成電子-空穴對(duì)，由于內(nèi)建電勢(shì)的作用，激發(fā)形成的電子通過(guò)電子傳輸層到達(dá)陰極，而空穴通過(guò)空穴傳輸層到達(dá)陽(yáng)極，使陰陽(yáng)兩極形成電勢(shì)差，即太陽(yáng)電池的輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)由光能到電能的轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池基本分為無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池和有機(jī)太陽(yáng)能電池兩種。

無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池光吸收層、電子傳輸層和空穴傳輸層的材料為無(wú)機(jī)材料。例如用硅和GaAs制備的太陽(yáng)能電池因其吸收光譜范圍廣，載流子遷移率高，擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)，熱穩(wěn)定性高，機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)而有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但是這種無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池成本高，毒性大，材料來(lái)源稀缺，難以大規(guī)模應(yīng)用。

有機(jī)太陽(yáng)電池的光吸收層、電子傳輸層和空穴傳輸層均為有機(jī)材料。例如以染料敏化電池和有機(jī)聚合物為代表的有機(jī)太陽(yáng)能電池具有成本低，加工工藝簡(jiǎn)單，重量輕，超薄以及柔性、吸收系數(shù)高等特點(diǎn)，非常適宜大面積制備和個(gè)性化應(yīng)用；但是這種有機(jī)物材料中載流子的遷移率過(guò)低比無(wú)機(jī)材料小3個(gè)數(shù)量級(jí)，激子擴(kuò)散長(zhǎng)度較短為10nm，無(wú)法吸收太陽(yáng)光譜中占了整個(gè)能量的60％的紅外部分能量，使得有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低。為此，人們嘗試將無(wú)機(jī)材料吸收光譜范圍廣，載流子遷移率高，擴(kuò)散長(zhǎng)度長(zhǎng)，熱穩(wěn)定性高，機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)與有機(jī)物的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)制備無(wú)機(jī)-有機(jī)混和太陽(yáng)能電池。

目前研究較多的是基于寬禁帶半導(dǎo)體材料ZnO和TiO₂的混合太陽(yáng)能電池，雖然它們?cè)诳梢?jiàn)光范圍內(nèi)沒(méi)有吸收，但是具有較高的電子傳輸性能、合成工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，毒性低、穩(wěn)定性好，使用壽命比較長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在無(wú)機(jī)納米晶-聚合物太陽(yáng)能電池領(lǐng)域中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。尤其是TiO₂納米材料，它可以制備成納米多孔的連續(xù)結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)有機(jī)聚合物能夠填充到細(xì)孔中間，不僅大大減小了器件的厚度，而且也提高了器件的開(kāi)路電壓和填充因子，除此而外，TiO₂還可以用作光學(xué)分隔層，有助于收集更多的電子進(jìn)而提高器件的效率。

除了TiO₂和ZnO兩種寬禁帶半導(dǎo)體材料外，還有近年發(fā)展起來(lái)的氮化鎵(GaN)材料，它屬于直接帶隙半導(dǎo)體，具有禁帶寬，載流子遷移率高，熱導(dǎo)率高，耐高壓，耐高溫，抗腐蝕，抗輻射等突出優(yōu)點(diǎn)；但是，目前制成的混合太陽(yáng)能電池不僅生產(chǎn)成本高，而且其光電轉(zhuǎn)換效率仍舊較低，其最大的轉(zhuǎn)換效率不足40％。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提出無(wú)機(jī)與有機(jī)混合太陽(yáng)能電池及其制作方法，以提高混合太陽(yáng)電池的效率，降低成本，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)思路是，利用氮面GaN材料在堿性溶液中易于實(shí)現(xiàn)腐蝕區(qū)域的特點(diǎn)，通過(guò)氮面GaN的表面絨化提高有機(jī)大分子聚合物填充度，提高混合太陽(yáng)電池的性能，其技術(shù)方案如下。

本發(fā)明的電池，自下而上包括：SiC襯底、AlN緩沖層、無(wú)機(jī)外延層、陰極、有機(jī)聚合物層和陽(yáng)極，其中外延層采用氮面n-GaN，且與陰極接觸的氮面n-GaN表面區(qū)域采用光滑面結(jié)構(gòu)，與有機(jī)聚合物層接觸的氮面n-GaN表面區(qū)域采用布滿凹陷的絨面結(jié)構(gòu)。

所述凹陷，其密度為1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2，深度為450nm-1.5μm。

制備本發(fā)明上述電池結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟：

(A)在SiC襯底上采用MOCVD方法生長(zhǎng)厚度為150-200nm的AlN緩沖層；

(B)在AlN緩沖層上采用MOCVD方法生長(zhǎng)厚度為2-3μm、電子濃度為1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延層；