專利名稱：一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
ZnO是一種在室溫下禁帶寬度為3. 37ev的η型半導(dǎo)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(fā)射材料。由于其優(yōu)異的光電性能、無毒、低廉的價格、 高的穩(wěn)定性，使其在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域占據(jù)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(diǎn)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η型和P型的半導(dǎo)體是很困難的，且ZnO只在紫外區(qū)有吸收，為了增強(qiáng)其在可見區(qū)的吸收范圍，考慮到用窄禁帶材料包覆ΖηΟ，形成核殼結(jié)構(gòu)，使材料的帶隙展寬到可見區(qū)范圍內(nèi)，增強(qiáng)它對太陽光的吸收，從而提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。CuO是一種典型的P型半導(dǎo)體材料。它的帶隙為I. 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(qū)吸收范圍寬，吸收系數(shù)大，而且具有化學(xué)、 光穩(wěn)定性。由于其具有高的光吸收和低的熱發(fā)射度，因此可以做太陽能電池中的吸光材料。 盡管CuO已經(jīng)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(dǎo)體活性層。CuO作為太陽能電池的一個重要優(yōu)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(guān)于Cu2CVZnO全無機(jī)pn結(jié)太陽能電池的報道，但是未有人報道 Cu0/Zn0全無機(jī)耗盡層異質(zhì)結(jié)太陽能電池。CuO比Cu2O化學(xué)性質(zhì)更穩(wěn)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)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(dǎo)體作吸收層和空穴傳輸層，通過調(diào)節(jié)包覆CuO的層數(shù)可以獲得最大的吸收強(qiáng)度和吸收范圍，以提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明的技術(shù)方案—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η型半導(dǎo)體吸收層， CuO薄膜作為P型半導(dǎo)體光吸收層和空穴傳輸層。所述ZnO納米棒的長度為I. 5 μ m、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。
—種所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法,步驟如下I)利用溶膠凝膠法在ITO上制備ZnO籽晶層^fZn(CH3COO)2 ·2Η20溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70°C下水浴加熱3小時，形成鋅離子濃度為O. 5mol/L的ZnO溶膠， 陳化12小時，然后在4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下將ZnO溶膠旋涂在清洗干凈的ITO襯底表面， 在400°C的馬弗爐內(nèi)退火5-10分鐘，上述旋涂和退火重復(fù)兩次，獲得ZnO籽晶層；2)通過化學(xué)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°C下水浴加熱生長I. 5小時，取出后用去離子水清洗，在空氣的氣氛、溫度為300°C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°C的馬弗爐內(nèi)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(jī)壓強(qiáng)為 6-8mmHg,放電電流為IOmA,即可制得太陽能電池。所述Zn (CH3COO) 2 · 2H20與乙二醇甲醚的用量比為5_6g/50ml，乙醇胺與 Zn (CH3COO) 2 · 2H20 的摩爾比為 1:1。所述Zn (NO3) 2水溶液和濃度為O. 4M NaOH水溶液的混合溶液，Zn (NO3) 2水溶液的濃度為O. 01M, NaOH水溶液的濃度為O. 4M，Zn (NO3) 2水溶液與NaOH水溶液的體積比為I : I。所述Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，Cu(NO3)2的濃度為O. 1M,甲醇和水的體積比為1:1。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用化學(xué)方法在ITO上制備ZnO納米棒陣列，該方法設(shè)備簡單、成本低；采用CuO 作為光吸收層和空穴傳輸層，與有機(jī)材料相比有更好的電遷移能力且成本低廉；結(jié)合無機(jī) ZnO的電傳導(dǎo)特性，CuO的高的光吸收和低的熱發(fā)射度，可有效提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
圖I為太陽能電池的斷面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為ZnO/CuO能級結(jié)構(gòu)圖。圖3為ZnO納米棒陣列的掃描電子顯微鏡圖。圖4為ZnO及ZnO/CuO的紫外可見吸收譜圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池，如圖I所示，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η型半導(dǎo)體吸收層，CuO薄膜作為P型半導(dǎo)體光吸收層和空穴傳輸層?！N所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法,步驟如下I)利用溶膠凝膠法在ITO上制備ZnO籽晶層將5. 4875g的Zn (CH3COO) 2 ·2Η20溶于50ml乙二醇甲醚中，再加入I. 5ml的乙醇胺(乙醇胺與Zn(CH3COO)2 · 2H20的摩爾比為 I I)，在70°C下水浴加熱3小時，形成鋅離子濃度為O. 5mol/L的ZnO溶膠，陳化12小時， 然后在4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下將ZnO溶膠旋涂在清洗干凈的ITO襯底表面，在400°C的馬弗爐內(nèi)退火10分鐘，上述旋涂和退火重復(fù)兩次，獲得ZnO籽晶層；2)通過化學(xué)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濃度為O. OlM的Zn(NO3)2水溶液和濃度為O. 4M NaOH水溶液的混合溶液中，混合溶液的總體積為200ml，Zn (NO3) 2水溶液與NaOH水溶液的體積比為I : I， 在75°C下水浴加熱生長I. 5小時，取出后用去離子水清洗，在空氣的氣氛、溫度為300°C條件下退火半小時，得到垂直定向的ZnO納米棒陣列，ZnO納米棒的長度為I. 5 μ m、直徑為 IOOnm ；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O. IM的Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，混合溶液的總體積為100ml，甲醇和水的體積比為I : 1，浸潤30分鐘，取出后放入400°C的馬弗爐內(nèi)加熱10分鐘，CuO薄膜的厚度為50nm ；4)用離子束濺射儀濺射一層厚度為IOOnm的Au電極作為p_CuO歐姆接觸的電極， 其真空機(jī)壓強(qiáng)為6-8mmHg，放電電流為10mA，即可制得太陽能電池。圖2是ZnO/CuO的能級結(jié)構(gòu)圖，圖中表明ZnO的導(dǎo)帶位置(4. 4ev)比CuO的導(dǎo)帶 (3. 7ev)高，當(dāng)光照在CuO層是產(chǎn)生電子空穴對，電子可以從CuO的導(dǎo)帶傳輸?shù)絑nO的導(dǎo)帶上，繼而被光電陰極ITO收集。而CuO的價帶(5. 2ev)比ZnO的價帶(7. 8ev)低，所以空穴從從ZnO的價帶傳輸?shù)紺uO的價帶上,繼而被光電陽極的Au收集。圖3是ZnO納米棒陣列的掃描電子顯微鏡圖，圖中顯示所述ZnO納米棒的長度為
I.5 μ m、直徑為 lOOnm。圖4是ZnO及ZnO/CuO的紫外可見吸收譜圖，從圖中可以看出Ζη0納米棒只能吸收波長小于370nm的高能光，而被CuO包覆后，吸收邊發(fā)生紅移且在整個可見區(qū)都有很強(qiáng)的吸收。
權(quán)利要求
1.一種p-CuO-n-ZnO太陽能電池，其特征在于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η型半導(dǎo)體吸收層，CuO薄膜作為P型半導(dǎo)體光吸收層和空穴傳輸層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池,其特征在于所述ZnO納米棒的長度為I. 5 μ m、直徑為IOOnm0
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池,其特征在于所述CuO薄膜的厚度為 50_100nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述P-CuO-n-ZnO太陽能電池，其特征在于所述Au電極的厚度為 100nm。
5.—種如權(quán)利要求I所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法,其特征在于步驟如下1)利用溶膠凝膠法在ITO上制備ZnO籽晶層將Zn(CH3COO)2· 2H20溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70°C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(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速下將ZnO溶膠旋涂在清洗干凈的ITO襯底表面，在 4000C的馬弗爐內(nèi)退火5-10分鐘，上述旋涂和退火重復(fù)兩次，獲得ZnO籽晶層；2)通過化學(xué)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°C下水浴加熱生長I.5小時，取出后用去離子水清洗，在空氣的氣氛、溫度為300°C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°C的馬弗爐內(nèi)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(jī)壓強(qiáng)為 6-8mmHg,放電電流為IOmA,即可制得太陽能電池。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法，其特征在于所述 Zn(CH3COO)2 · 2H20與乙二醇甲醚的用量比為5_6g/50ml，乙醇胺與Zn(CH3COO)2 · 2H20的摩爾比為1:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法，其特征在于所述 Zn(NO3)2水溶液和濃度為0. 4M NaOH水溶液的混合溶液，Zn (NO3) 2水溶液的濃度為0. 01M, NaOH水溶液的濃度為0. 4M，Zn (NO3) 2水溶液與NaOH水溶液的體積比為I : I。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述p-CuO-n-ZnO太陽能電池的制備方法，其特征在于所述 Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，Cu(NO3)2的濃度為0. 1M，甲醇和水的體積比為I I。
全文摘要
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，垂直定向的ZnO納米棒陣列作n型半導(dǎo)體吸收層，CuO薄膜作p型半導(dǎo)體光吸收層和空穴傳輸層；其制備方法是利用溶膠凝膠法在ITO上制備ZnO籽晶層，化學(xué)浴沉積法制備垂直定向的氧化鋅納米棒陣列，原位生長法在ZnO納米棒陣列上制備CuO薄膜，用離子束濺射儀濺射Au電極。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是該制備方法設(shè)備簡單、成本低；采用CuO作為光吸收層和空穴傳輸層，與有機(jī)材料相比有更好的電遷移能力；結(jié)合無機(jī)ZnO的電傳導(dǎo)特性，CuO的高的光吸收和低的熱發(fā)射度，可有效提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號H01L31/073GK102610687SQ20121006332
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者任志瑞, 姜立芳, 徐建萍, 朱明雪, 李嵐, 李夢真, 李波, 洪源, 王麗師, 葛林, 陳義鵬 申請人:天津理工大學(xué)