[發明專利]一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池及其制備方法

無效

• 申請號: 201210063326.X
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102610687A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 李嵐;王麗師;徐建萍;任志瑞;葛林;陳義鵬;李波;李夢真;姜立芳;朱明雪;洪源
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01L31/073
• 分類號: H01L31/073;H01L31/18
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明涉及光電子器件及太陽能電池制備，特別是一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池及其制備方法。

背景技術

ZnO是一種在室溫下禁帶寬度為3.37ev的n型半導體材料，激子束縛能為60mV，是一種有前景的光電子器件和紫外發射材料。由于其優異的光電性能、無毒、低廉的價格、高的穩定性，使其在半導體材料領域占據十分重要的地位。此外，ZnO有較高的電子遷移率，是TiO₂電子遷移率的10-100倍。

一維ZnO納米棒陣列是做太陽電池的很好的候選者，主要基于以下三點：具有很低的反射率，可以提高太陽光的吸收；有很大的體積比和截面積，有助于界面電荷的分離；電子沿著納米棒快速的傳輸，提高了電荷收集效率。然而同時獲得同種材料的n型和p型的半導體是很困難的，且ZnO只在紫外區有吸收，為了增強其在可見區的吸收范圍，考慮到用窄禁帶材料包覆ZnO，形成核殼結構，使材料的帶隙展寬到可見區范圍內，增強它對太陽光的吸收，從而提高太陽能電池的轉換效率。

CuO是一種典型的p型半導體材料。它的帶隙為1.5ev，接近理想太陽能電池的帶隙，能與太陽能光譜很好的相匹配。它在可見光區吸收范圍寬，吸收系數大，而且具有化學、光穩定性。由于其具有高的光吸收和低的熱發射度，因此可以做太陽能電池中的吸光材料。盡管CuO已經在染料敏化太陽能電池中被用作空穴傳輸層和電子阻擋層，但是很少有報道用CuO作為太陽能電池的p型半導體活性層。CuO作為太陽能電池的一個重要優勢在于它的合成方法簡單、無毒且成本低廉。

目前，已有不少關于Cu₂O/ZnO全無機pn結太陽能電池的報道，但是未有人報道CuO/ZnO全無機耗盡層異質結太陽能電池。CuO比Cu₂O化學性質更穩定，禁帶寬度更加接近理想的太陽能電池，是一種做太陽能電池的理想材料。

發明內容

本發明的目的是針對上述技術分析，提供一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池及其制備方法，該太陽能電池引入CuO窄禁帶半導體作吸收層和空穴傳輸層，通過調節包覆CuO的層數可以獲得最大的吸收強度和吸收范圍，以提高太陽能電池的能量轉化效率。

本發明的技術方案：

一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池，底層至頂層依次疊加為ITO襯底、垂直定向的ZnO納米棒陣列、CuO薄膜和Au電極，其中垂直定向的ZnO納米棒陣列作為n型半導體吸收層，CuO薄膜作為p型半導體光吸收層和空穴傳輸層。

所述ZnO納米棒的長度為1.5μm、直徑為100nm。

所述CuO薄膜的厚度為50-100nm。

所述Au電極的厚度為100nm。

一種所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法，步驟如下：

1)利用溶膠凝膠法在ITO上制備ZnO籽晶層：將Zn(CH₃COO)₂·2H₂O溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70℃下水浴加熱3小時，形成鋅離子濃度為0.5mol/L的ZnO溶膠，陳化12小時，然后在4000轉/分鐘的轉速下將ZnO溶膠旋涂在清洗干凈的ITO襯底表面，在400℃的馬弗爐內退火5-10分鐘，上述旋涂和退火重復兩次，獲得ZnO籽晶層；

2)通過化學浴沉積法制備垂直定向的氧化鋅納米棒陣列：將上述制備有ZnO籽晶層的片子水平倒置浸入Zn(NO₃)₂水溶液和NaOH水溶液的混合溶液中，在75℃下水浴加熱生長1.5小時，取出后用去離子水清洗，在空氣的氣氛、溫度為300℃條件下退火半小時，得到垂直定向的ZnO納米棒陣列；

3)通過原位生長法在ZnO納米棒陣列上制備CuO薄膜：將上述ZnO納米棒陣列的片子插入Cu(NO₃)₂的甲醇和水的混合溶液中浸潤30分鐘，取出后放入400℃的馬弗爐內加熱10分鐘；

4)用離子束濺射儀濺射一層Au電極作為p-CuO歐姆接觸的電極，其真空機壓強為6-8mmHg，放電電流為10mA，即可制得太陽能電池。

所述Zn(CH₃COO)₂·2H₂O與乙二醇甲醚的用量比為5-6g/50ml，乙醇胺與Zn(CH₃COO)₂·2H₂O的摩爾比為1∶1。