專(zhuān)利名稱(chēng)：一種太陽(yáng)能電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種太陽(yáng)能電池，尤其涉及一種光活性層含有有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。本發(fā)明還涉及該太陽(yáng)能電池的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的消耗急劇增長(zhǎng)，化石燃料的巨量使用不僅造成了煤、石油、天然氣等不可再生資源的日漸枯竭，威脅到人類(lèi)社會(huì)的能源安全，而且大量二氧化碳的排放也造成了日益嚴(yán)重的社會(huì)環(huán)境問(wèn)題。在這種形勢(shì)下，急需開(kāi)發(fā)利用既經(jīng)濟(jì)性能又高的清潔能源。其中，太陽(yáng)能被視為可利用的、最有前途的、可再生能源之一，引起人們的關(guān)注。太陽(yáng)能的利用方案主要包括光熱和光伏兩大類(lèi)，其中光伏發(fā)電以其高效、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、長(zhǎng)壽命、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)備受青睞，成為太陽(yáng)能利用的主流技術(shù)。光伏發(fā)電的核心元件是太陽(yáng)能電池。在眾多種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中，以單晶硅和多晶硅技術(shù)最為成熟，是目前市場(chǎng)上的主流。但目前這些太陽(yáng)能電池的成本仍然較高，只能在一些特殊的場(chǎng)合使用。因此，要使太陽(yáng)能發(fā)電得到大規(guī)模推廣，就必須提高太陽(yáng)能電池的效率、降低其成本。有機(jī)太陽(yáng)能電池技術(shù)被認(rèn)為是最有吸引力、廉價(jià)的太陽(yáng)能電池技術(shù)之一。一方面是有機(jī)材料合成成本低、功能易于調(diào)制、柔韌性及成膜性都較好；另一方面有機(jī)太陽(yáng)能電池的制造工藝不需要涉及無(wú)機(jī)物濺射、化學(xué)氣相沉積、高純度硅晶體生長(zhǎng)制備、摻雜等薄膜工藝及昂貴的物理或化學(xué)加工手段，可以通過(guò)旋涂或噴墨打印等成膜技術(shù)易實(shí)現(xiàn)大面積制造、制造過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單、可使用柔性襯底、環(huán)境友好、輕便易攜、器件制作成本也較低。有機(jī)太陽(yáng)能電池具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，其研究和發(fā)展使太陽(yáng)能電池低成本化成為可能，成為可再生能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，備受學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。近年來(lái)，隨著對(duì)有機(jī)太陽(yáng)能電池材料和器件結(jié)構(gòu)的不斷探索，有機(jī)太陽(yáng)能電池的效率已經(jīng)達(dá)到了 6-7%。然而要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，有機(jī)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然較低，器件的穩(wěn)定性也還有待于進(jìn)一步的提高。導(dǎo)致有機(jī)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低的主要原因有共軛聚合物的吸收光譜與太陽(yáng)光譜不匹配，對(duì)太陽(yáng)光的利用率偏低；另外，在本體異質(zhì)結(jié)型的有機(jī)太陽(yáng)能電池中，由于異質(zhì)結(jié)界面增多，活性材料吸收太陽(yáng)光后產(chǎn)生的激子能迅速解離形成自由的電子和空穴，但是與無(wú)機(jī)半導(dǎo)體相比，有機(jī)物中的載流子遷移率相對(duì)較低，大部分的載流子還未來(lái)得及傳輸?shù)诫姵氐膬呻姌O，就已經(jīng)發(fā)生了復(fù)合，這樣就導(dǎo)致電流損失，使有機(jī)太陽(yáng)能電池的短路電流較低，其光電轉(zhuǎn)換效率也偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光活性層含有有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，其可以解決上述問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的在于提供一種該太陽(yáng)能電池的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的一種太陽(yáng)能電池，具有如下結(jié)構(gòu)在襯底的底表面沉積有起電極作用的導(dǎo)電層，在所述襯底的上表面設(shè)有垂直于所述襯底上表面、且由半導(dǎo)體化合物材料構(gòu)成的納米柱陣列，在所述納米柱陣列的間隙中填充有與所述納米柱等高的光活性材料，在所述納米柱陣列和光活性材料構(gòu)成的表面上設(shè)置有透明導(dǎo)電電極層，在所述透明導(dǎo)電電極層表面上設(shè)有保護(hù)電極。所述太陽(yáng)能電池，其中，所述導(dǎo)電層的厚度為5-15 μ m;所述保護(hù)電極呈柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所述柵網(wǎng)的厚度為5-10 μ m，柵線(xiàn)寬度為30-150 μ m，間距為2_3mm ；所述納米柱的平均直徑為30-1000nm，高度為lOO-lOOOOnm，柱間間距為30_200nm ；所述半導(dǎo)體化合物材料和襯底材料均為元素周期表中III-V族的氮化物基質(zhì)材料，或者氧化鋅基質(zhì)材料；所述氮化物基質(zhì)材料為A1N、GaN, InN, AlGaN, InGaN和AlInGaN ；所述氧化鋅基質(zhì)材料為&ι0， In-Zn-0, Al-Zn-0, Ga-Zn-0, Zr-Zn-0, Mg-Zn-O 或 Si-Zn-O ；所述導(dǎo)電層的材質(zhì)和保護(hù)電極的材質(zhì)均為鋁、鎂、金、銀等及其合金。所述太陽(yáng)能電池，其中，為填充于納米柱陣列空隙中的光活性材料，可以為電子給、受體材料的混合物或者為分子內(nèi)具有電子給體-受體結(jié)構(gòu)的材料，如下電子給體材料可以是噻吩類(lèi)材料，包括聚合物，如，P3HT、P30T ；小分子或寡聚物,如，DCV5T、V5T、4G1-3S、3G1-1S ；芳香胺類(lèi)材料，如，TPD、TPA-Th-CN, TCVA ；PPV 類(lèi)材料， 如，PPV、MEH-PPV, MDMO-PPV ；稠環(huán)芳香化合物，如，Tetracene, Pentacene, Pe-Th2 ；酞菁類(lèi)染料，如，MPc (M為金屬離子，如Cu、Zn等)、H2Pc, SubPc (為亞酞菁材料)；電子受體可以是富勒烯及其衍生物，如，PCBM(PC6QBM、PC7tlBM)、ThCBM、PCBB ；PPV類(lèi)材料,如，CN-Ether-PPV, MEH-CN-PPV ；稠環(huán)芳香化合物，如，PTCBI、PTCDA、BBL 等；分子內(nèi)具有電子給體-受體結(jié)構(gòu)的材料為含咔唑單元和苯并噻二唑單元的材料、 含芴單元和苯并噻二唑單元的材料、含咔唑單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?、含芴單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?、含噻吩單元和吡咯并吡咯單元的材料、含噻吩單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?，如，PCPDTBT、PCDTBT、PDPPBDT 等。所述太陽(yáng)能電池，其中，所述透明導(dǎo)電電極的材料可以是但不限于導(dǎo)電金屬氧化物薄膜、導(dǎo)電高分子材料，優(yōu)選導(dǎo)電金屬氧化物，如，銦錫氧化物(ITO)、氟錫氧化物(FTO) 或者鋁鋅氧化物(AZO)等，所述透明導(dǎo)電電極的厚度為80-120nm，透過(guò)率大于80%。上述結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，其制備方法包括以下步驟(1)清洗襯底，使襯底表面干凈，增大其表面附著力；(2)在上述襯底的背面沉積一定厚度的導(dǎo)電電極，可以但不局限于利用真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法等方法，在上述襯底的背面沉積一定厚度的金屬如鋁、鎂、 金、銀及其合金等，然后在保護(hù)氣氛(由氮?dú)夂?或惰性氣體組成的無(wú)氧環(huán)境)下，進(jìn)行退火處理，形成歐姆接觸的電極；(3)在真空室內(nèi)，可以但不局限于采用化學(xué)氣相沉積、誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕、電子束曝光、電子束蒸發(fā)、低溫真空濺射等方法在上述襯底上制備半導(dǎo)體納米柱陣列；(4)可以采取真空共蒸鍍有機(jī)光活性材料的混合物、或者將光活性材料的混合物配成溶液，將其填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，再進(jìn)行等離子處理等手段，使有機(jī)光活性材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間形成良好的接觸；(5)在上述結(jié)構(gòu)上面制備一層透明導(dǎo)電電極，如透明導(dǎo)電金屬氧化物，可以利用真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法、脈沖激光沉積法等方法，制備一層透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜；(6)在上述結(jié)構(gòu)上面制備一層保護(hù)電極，如金屬柵網(wǎng)電極，可以利用絲網(wǎng)印刷法、 真空蒸鍍法等方法，在上述透明導(dǎo)電電極上面制備金屬如鋁、鎂、金、銀及其合金柵網(wǎng)電極；(7)將上面的太陽(yáng)能電池在惰性氣體氣氛中退火處理，制作完成。本發(fā)明的太陽(yáng)能電池具有如下特點(diǎn)首先，太陽(yáng)能電池的工作區(qū)內(nèi)有兩類(lèi)能夠產(chǎn)生電荷分離的界面，即電子給受體材料之間的界面、有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱之間的界面；由于半導(dǎo)體納米柱陣列的存在，可以有效地連接電子受體材料形成的局域電子傳輸網(wǎng)絡(luò)，為電子的傳輸提供直接的導(dǎo)通路徑， 減少電子的跳躍傳輸次數(shù)和復(fù)合幾率，提高電子的傳輸效率；激子分離界面的增加和載流子傳輸路徑的優(yōu)化，使太陽(yáng)能電池的短路電流增大，進(jìn)而提高其光電轉(zhuǎn)換效率。其次，由于所選作制備納米柱陣列的材料為極性材料，沿c軸方向具有非常高的自發(fā)極化和壓電極化場(chǎng)強(qiáng)度，這種強(qiáng)極化場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致界面電荷密度大大提高，并導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)的空間自發(fā)有效分離；利用其電子和空穴在極化場(chǎng)作用下的空間自發(fā)分離可以形成太陽(yáng)能電池的高開(kāi)路電壓，從而提高其光電轉(zhuǎn)換效率。最后，由于納米柱陣列中填充了有機(jī)光活性材料，此種周期性的結(jié)構(gòu)形成了光子晶體結(jié)構(gòu)，光活性的有機(jī)材料來(lái)不及吸收的太陽(yáng)光可以通過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)的反射作用重新照射到有機(jī)材料上，增強(qiáng)有機(jī)材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而也可以提高其光電轉(zhuǎn)換效率。總之，此種結(jié)構(gòu)可以提高太陽(yáng)能電池的短路電流和開(kāi)路電壓，進(jìn)而提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


圖1為太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)的剖面示意圖；其中，10為導(dǎo)電電極，20為襯底，30為納米柱陣列，40為光活性材料，50為透明導(dǎo)電電極，60為保護(hù)電極；圖2為透明導(dǎo)電電極與保護(hù)電極的平面圖；其中，50透明導(dǎo)電電極，60為保護(hù)電極。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供的一種太陽(yáng)能電池，具有如下結(jié)構(gòu)在襯底的底表面沉積有起電極作用的導(dǎo)電層，在所述襯底的上表面設(shè)有垂直于所述襯底的、且由半導(dǎo)體化合物材料形成的納米柱陣列，在所述納米柱陣列的間隙中填充有與所述納米柱等高的光活性材料，在所述納米柱陣列和光活性材料構(gòu)成的表面設(shè)置有透明導(dǎo)電電極層，在所述透明導(dǎo)電電極層表面設(shè)有保護(hù)電極。所述太陽(yáng)能電池，其中，所述導(dǎo)電層的厚度為5-15 μ m;所述保護(hù)電極的呈柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，所述柵網(wǎng)的厚度為5-10 μ m,柵線(xiàn)寬度為30-150 μ m,間距為2_3mm ；所述納米柱的平均直徑為30-1000nm，高度為lOO-lOOOOnm，柱間間距為30-200nm ；所述半導(dǎo)體化合物材料和襯底材料均為元素周期表中III-V族的氮化物基質(zhì)材料，或者氧化鋅基質(zhì)材料；所述氮化物基質(zhì)材料為A1N、GaN, InN, AlGaN, InGaN和AlInGaN ；所述氧化鋅基質(zhì)材料為&ι0，In-Zn-0, Al-Zn-0, Ga-Zn-0, Zr-Zn-0, Mg-Zn-O 或 Si-Zn-O ；所述導(dǎo)電層的材質(zhì)和保護(hù)電極的材質(zhì)均為鋁、鎂、金、銀等及其合金。所述太陽(yáng)能電池，其中，為填充于納米柱陣列空隙中的光活性材料，可以為電子給、受體材料的混合物或者為分子內(nèi)電子給體-受體結(jié)構(gòu)的材料；如下電子給體材料可以是噻吩類(lèi)材料，包括聚合物，如，P3HT、P30T ；小分子或寡聚物,如，DCV5T、V5T、4G1-3S、3G1-1S ；芳香胺類(lèi)材料，如，TPD、TPA-Th-CN, TCVA ；PPV 類(lèi)材料， 如，PPV、MEH-PPV, MDMO-PPV ；稠環(huán)芳香化合物，如，Tetracene, Pentacene, Pe-Th2 ；酞菁類(lèi)染料，如，MPc (M為金屬離子，如Cu、Zn等)、H2Pc, SubPc (為亞酞菁材料)；電子受體可以是富勒烯及其衍生物，如，PCBM(PC6QBM、PC7tlBM)、ThCBM、PCBB ；PPV類(lèi)材料,如，CN-Ether-PPV, MEH-CN-PPV ；稠環(huán)芳香化合物，如，PTCBI、PTCDA、BBL 等；分子內(nèi)具有電子給體-受體結(jié)構(gòu)的材料為含咔唑單元和苯并噻二唑單元的材料、 含芴單元和苯并噻二唑單元的材料、含咔唑單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?、含芴單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?、含噻吩單元和吡咯并吡咯單元的材料、含噻吩單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧系龋?，PCPDTBT、PCDTBT、PDPPBDT 等。所述太陽(yáng)能電池，其中，所述透明導(dǎo)電電極的材料可以是但不限于導(dǎo)電金屬氧化物薄膜、導(dǎo)電高分子材料，優(yōu)選導(dǎo)電金屬氧化物，如，銦錫氧化物(ITO)、氟錫氧化物(FTO) 或者鋁鋅氧化物(AZO)等，所述透明導(dǎo)電電極的厚度為80-120nm，透過(guò)率大于80%。上述結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池，其制備方法包括以下步驟(1)清洗襯底，使襯底表面干凈，增大其表面附著力；(2)在上述襯底的背面沉積一定厚度的導(dǎo)電電極，可以但不局限于利用真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法等方法，在上述襯底的背面沉積一定厚度的金屬如鋁、鎂、 金、銀及其合金等，然后在保護(hù)氣氛下，進(jìn)行退火處理，形成歐姆接觸的電極；(3)在真空室內(nèi)，可以但不局限于采用化學(xué)氣相沉積、誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕、電子束曝光、電子束蒸發(fā)、低溫真空濺射等方法在上述襯底上制備半導(dǎo)體納米柱陣列；(4)可以采取真空共蒸鍍有機(jī)光活性材料的混合物、或者將光活性材料的混合物配成溶液，將其填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，再進(jìn)行等離子處理等手段，使有機(jī)光活性材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間形成良好的接觸；(5)在上述結(jié)構(gòu)上面制備一層透明導(dǎo)電電極，如透明導(dǎo)電金屬氧化物，可以利用真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學(xué)氣相沉積法、脈沖激光沉積法等方法，制備一層透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜；(6)在上述結(jié)構(gòu)上面制備一層保護(hù)電極，如金屬柵網(wǎng)電極，可以利用絲網(wǎng)印刷法、 真空蒸鍍法等方法，在上述透明導(dǎo)電電極上面制備金屬如鋁、鎂、金、銀及其合金柵網(wǎng)電極；(7)在無(wú)氧環(huán)境(本發(fā)明的無(wú)氧環(huán)境由氮?dú)夂突?惰性氣體氣氛構(gòu)成)中退火處理，制得太陽(yáng)能電池。下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1 (1)將ZnO襯底在質(zhì)量百分比濃度均為0. 5%的H2A與氨水的混合溶液中先浸泡 5min，再超聲波處理IOmin后，用去離子水清洗干凈后烘干備用；
(2)利用化學(xué)氣相沉積法，在上述襯底的背面沉積10 μ m厚的金屬銅，然后在保護(hù)氣氛下，于450°C進(jìn)行退火處理40min，形成歐姆接觸的金屬銅電極；
(3)在真空室內(nèi)，采用電子束蒸發(fā)在ZnO襯底材料上制備h-Zn-O納米柱陣列，納米柱平均直徑為lOOnm，高度為lOOOnm，柱間間距為IOOnm ；(4)配制P3HT與PCBM質(zhì)量比為4 1、均勻混合的、總濃度為15mg/ml的氯苯溶液，將混合溶液填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，通過(guò)自組裝后再烘干使有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間良好的接觸；(5)利用化學(xué)氣相沉積法，在上述活性層上面制備厚度為IOOnm透明導(dǎo)電金屬氧化物AZO薄膜層；(6)利用絲網(wǎng)印刷法，在上述透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜層上面制備鋁柵網(wǎng)電極，柵網(wǎng)的厚度為8 μ m，柵線(xiàn)寬度為100 μ m，間距為2mm;(7)在惰性氣體氣氛中退火處理，制得太陽(yáng)能電池。實(shí)施例2 (1)將AlN襯底在質(zhì)量百分比濃度均為0. 5%的H2A與氨水的混合溶液中先浸泡 5min，再超聲波處理IOmin后，用去離子水清洗干凈后烘干備用；(2)利用真空蒸鍍法，在上述襯底的背面沉積5μπι厚的金屬鋁，然后在保護(hù)氣氛下，于350°C進(jìn)行退火處理20min，形成歐姆接觸的金屬鋁電極；(3)在真空室內(nèi)，采用自化學(xué)氣相沉積法在AlN襯底上制備AlN材料納米柱陣列， 納米柱平均直徑為30歷，高度為lOOnm，柱間間距為30nm ；(4)利用真空共蒸鍍法，將4G1-3S與PCBM按質(zhì)量比為1 1，填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，再進(jìn)行等離子處理等手段，使有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間良好的接觸；(5)利用真空蒸鍍法，在上述活性層上面制備厚度為SOnm透明導(dǎo)電金屬氧化物 ITO薄膜層；(6)利用絲網(wǎng)印刷法，在上述透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜層上面制備銀柵網(wǎng)電極，柵網(wǎng)的厚度為5 μ m，柵線(xiàn)寬度為30 μ m，間距為2mm;(7)在氮?dú)鈿夥罩型嘶鹛幚?，制得太?yáng)能電池。實(shí)施例3 (1)將&-ΖΠ-0襯底在質(zhì)量百分比濃度均為0. 5%的H2A與氨水的混合溶液中先浸泡5min，再超聲波處理IOmin后，用去離子水清洗干凈后烘干備用；(2)利用真空蒸鍍法，在上述襯底的背面沉積8 μ m厚的金屬鎂，然后在保護(hù)氣氛下，于300°C進(jìn)行退火處理35min，形成歐姆接觸的金屬鎂電極；(3)在真空室內(nèi)，采用低溫真空濺射法在&-Zn-0襯底上制備&-ΖΠ-0材料納米柱陣列；(4)配制P3HT與PCBM質(zhì)量比為1 4、均勻混合的、總濃度為30mg/ml的氯苯溶液，將混合溶液填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，通過(guò)自組裝后再烘干使有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間良好的接觸；(5)利用脈沖激光沉積法，在上述活性層上面制備厚度為IOOnm透明導(dǎo)電金屬氧化物ITO薄膜層；
(6)利用真空蒸鍍法，在上述透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜層上面制備銅合金柵網(wǎng)電極，柵網(wǎng)的厚度為5 μ m,柵線(xiàn)寬度為80 μ m,間距為2. 5mm ；(7)在惰性氣體氣氛中退火處理，制得太陽(yáng)能電池。實(shí)施例4 (1)將MGaN襯底在質(zhì)量百分比濃度均為0. 5%的H2A與氨水的混合溶液中先浸泡5min，再超聲波處理IOmin后，用去離子水清洗干凈后烘干備用；(2)利用磁控濺射法，在上述襯底的背面沉積15 μ m厚的金屬銀，然后在保護(hù)氣氛下，于400°C進(jìn)行退火處理30min，形成歐姆接觸的金屬銀電極；(3)在真空室內(nèi)，采用誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕法在AlGaN襯底上制備AlGaN材料納米柱陣列，納米柱平均直徑為lOOOnm，高度為lOOOOnm，柱間間距為200nm ；(4)利用真空共蒸鍍法，將CuPc與PCBM按質(zhì)量比為1 1，填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，再進(jìn)行等離子處理等手段，使有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間良好的接觸；(5)利用磁控濺射法，在上述活性層上面制備厚度為120nm透明導(dǎo)電金屬氧化物 FTO薄膜層；(6)利用真空蒸鍍法，在上述透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜層上面制備鎂柵網(wǎng)電極，柵網(wǎng)的厚度為10 μ m，柵線(xiàn)寬度為150 μ m，間距為3mm;(7)在惰性氣體氣氛中退火處理，制得太陽(yáng)能電池。實(shí)施例5 (1)將InN襯底在質(zhì)量百分比濃度均為0. 5%的H2A與氨水的混合溶液中先浸泡 5min，再超聲波處理IOmin后，用去離子水清洗干凈后烘干備用；(2)利用真空共蒸鍍法，在上述襯底的背面沉積10 μ m厚的鎂、銀合金，然后在保護(hù)氣氛下，于350°C進(jìn)行退火處理20min，形成歐姆接觸的鎂、銀合金電極；(3)在真空室內(nèi)，采用誘導(dǎo)耦合等離子體刻蝕法在InN襯底上制備Al-Zn-O材料納米柱陣列，納米柱平均直徑為500nm，高度為5000nm，柱間間距為150nm ；(4)配制聚甲氧基-5-(2'-乙基己氧基)-1，4_對(duì)苯乙炔)(MEH-PPV下同) 與[6，6]苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM，下同)量比為4 1、均勻混合的、總濃度為15mg/ml 的氯苯溶液，將混合溶液填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，通過(guò)自組裝后再烘干使有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間良好的接觸；(5)利用真空蒸鍍法，在上述活性層上面制備厚度為90nm透明導(dǎo)電金屬氧化物 FTO薄膜層；(6)利用絲網(wǎng)印刷法，在上述透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜層上面制備銅柵網(wǎng)電極，柵網(wǎng)的厚度為6 μ m，柵線(xiàn)寬度為100 μ m，間距為2. 5mm；(7)在惰性氣體氣氛中退火處理，制得太陽(yáng)能電池。實(shí)施例6 (1)將InGaN襯底在質(zhì)量百分比濃度均為0. 5%的H2A與氨水的混合溶液中先浸泡5min，再超聲波處理IOmin后，用去離子水清洗干凈后烘干備用；(2)利用真空蒸鍍法，在上述襯底的背面沉積12 μ m厚的銅、鋁合金，然后在保護(hù)氣氛下，于400°C進(jìn)行退火處理30min，形成歐姆接觸的銅、鋁合金電極；
(3)在真空室內(nèi)，采用電子束曝光法在InGaN襯底上制備&-Ζη-0材料納米柱陣列，納米柱平均直徑為800nm，高度為8000nm，柱間間距為180nm ；(4)配制MEH-PPV與PCBM質(zhì)量比為1 4、均勻混合的、總濃度為30mg/ml的氯苯溶液，將混合溶液填充到半導(dǎo)體納米柱陣列形成的空隙內(nèi)，先烘干后進(jìn)行等離子處理等手段，使有機(jī)材料與半導(dǎo)體納米柱陣列之間良好的接觸；(5)利用脈沖激光沉積法，在上述活性層上面制備厚度為IlOnm透明導(dǎo)電金屬氧化物AZO薄膜層；(6)利用絲網(wǎng)印刷法，在上述透明導(dǎo)電金屬氧化物薄膜層上面制備鎂、銀柵網(wǎng)電極，柵網(wǎng)的厚度為8 μ m,柵線(xiàn)寬度為120 μ m,間距為2mm ；(7)在惰性氣體氣氛中退火處理，制得太陽(yáng)能電池。應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)本發(fā)明較佳實(shí)施例的表述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專(zhuān)利保護(hù)范圍的限制，本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種太陽(yáng)能電池，其特征在于，該太陽(yáng)能電池具有如下結(jié)構(gòu)在襯底的底表面沉積有起電極作用的導(dǎo)電層，在所述襯底的上表面設(shè)有垂直于所述襯底上表面、且由半導(dǎo)體化合物材料構(gòu)成的納米柱陣列，在所述納米柱陣列的間隙中填充有與所述納米柱等高的光活性材料，在所述納米柱陣列和光活性材料構(gòu)成的表面上設(shè)置有透明導(dǎo)電電極層，在所述透明導(dǎo)電電極層表面上設(shè)有保護(hù)電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述導(dǎo)電層的厚度為5-15μ m ；所述保護(hù)電極呈柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)，該柵網(wǎng)的厚度為5-ΙΟμπι，柵線(xiàn)寬度為30-150μπι，間距為2_3mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述納米柱的平均直徑為 30-1000nm，高度為 lOO-lOOOOnm，柱間間距為 30_200nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述半導(dǎo)體化合物材料和襯底材料均為元素周期表中III-V族的氮化物基質(zhì)材料，或者氧化鋅基質(zhì)材料；所述氮化物基質(zhì)材料為A1N、GaN, InN, AlGaN, InGaN和AUnGaN ；所述氧化鋅基質(zhì)材料為ZnO，In-Zn-O, Al-Zn-0, Ga-Zn-0, Zr-Zn-0, Mg-Zn-O 或 Si-Zn-O。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述光活性材料為電子給體材料與受體材料的混合物或者為分子內(nèi)具有電子給體-受體結(jié)構(gòu)的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述電子給體材料為噻吩類(lèi)材料； 所述電子受體材料為富勒烯及其衍生物；所述分子內(nèi)具有電子給體-受體結(jié)構(gòu)的材料為含咔唑單元和苯并噻二唑單元的材料、含芴單元和苯并噻二唑單元的材料、含咔唑單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?、含芴單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧?、含噻吩單元和吡咯并吡咯單元的材料、含噻吩單元和噻吩并吡嗪?jiǎn)卧牟牧系取?br> 7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述透明導(dǎo)電電極層的材質(zhì)為導(dǎo)電金屬氧化物薄膜或?qū)щ姼叻肿硬牧?；所述透明?dǎo)電電極層的厚度為80-120nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能電池，其特征在于，所述導(dǎo)電層的材質(zhì)和保護(hù)電極的材質(zhì)均為鋁、鎂、金、銀等及其合金。
9.一種權(quán)利要求1至8任一所述的太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，包括如下步驟在表面處理過(guò)的襯底的底表面沉積一層起電極作用的導(dǎo)電層；在所述襯底的上表面形成由半導(dǎo)體化合物材料組成的納米柱陣列；將光活性材料填充至所述納米柱陣列的空隙中；在所述納米柱陣列和光活性材料構(gòu)成的上表面上沉積一層透明導(dǎo)電電極層；在所述透明導(dǎo)電電極層的表面沉積保護(hù)電極；在惰性氣體氣氛中退火處理，制得所述太陽(yáng)能電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于，在所述導(dǎo)電層得制備步驟中，還包括如下步驟在無(wú)氧環(huán)境中，將所述導(dǎo)電層于300 450°C進(jìn)行退火處理20 40min。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，其公開(kāi)了一種太陽(yáng)能電池，太陽(yáng)能電池具有如下結(jié)構(gòu)起電極作用的導(dǎo)電層/襯底/由半導(dǎo)體化合物材料形成的納米柱陣列和光活性材料填充材料/透明導(dǎo)電電極層/保護(hù)電極。本發(fā)明還公開(kāi)了一種太陽(yáng)能電池得制備方法。本發(fā)明提供的太陽(yáng)能電池，由于半導(dǎo)體納米柱陣列的存在，能使太陽(yáng)能電池的短路電流增大，進(jìn)而提高其光電轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)，由于納米柱陣列中填充了有機(jī)光活性材料，此種周期性的結(jié)構(gòu)形成了光子晶體結(jié)構(gòu)，光活性的有機(jī)材料來(lái)不及吸收的太陽(yáng)光可以通過(guò)光子晶體結(jié)構(gòu)的反射作用重新照射到有機(jī)材料上，增強(qiáng)有機(jī)材料對(duì)太陽(yáng)光的吸收，從而也可以提高其光電轉(zhuǎn)換效率。
文檔編號(hào)H01L51/42GK102339954SQ201010232370
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者周明杰, 時(shí)朝璞, 馬文波 申請(qǐng)人:海洋王照明科技股份有限公司, 深圳市海洋王照明技術(shù)有限公司