CN101471424A - 一种基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池。包括：一沉积在玻璃衬底上的透明阳极(101)；一沉积在阳极上的多晶镓砷薄膜(102)；一沉积在多晶镓砷薄膜层上的有机电子受体层(103)；一沉积在有机电子受体层上的电子阻挡层(104)；一沉积在电子阻挡层上的阴极(105)。本发明将多晶镓砷薄膜和有机半导体薄膜相结合是一种可行的开发低成本镓砷太阳能电池的手段。
Description
技术领域
本发明涉及一种多晶镓砷薄膜的生长及有机镓砷复合太阳能电池的制备。
背景技术
人类社会进入21世纪以来，能源短缺问题日益严重，由于化石能源储量有限且容易造成环境污染，开发新型能源技术显得日趋紧迫，事关国计民生。在自然界中，太阳能取之不尽、用之不绝，是一种无公害的可再生能源，发展太阳能利用技术成为各国的研究重点。目前，太阳能电池产业仍然以晶体硅太阳能电池为主，大约占全部光伏电池的90％，其中多晶硅电池占2/3。然而，目前全球的太阳能级多晶硅产量仅为2万t，远低于市场的需求。预计，到2008年以前，太阳能级多晶硅仍将处于供不应求的状态。为了适应太阳能电池高效率、低成本、规模化发展的宗旨，最有效的办法就是不采用由硅原料、硅锭、硅片到电池的工艺路线，而直接由原材料到电池的工艺，即发展薄膜太阳能电池技术。目前比较成功的薄膜太阳能电池技术主要有非晶硅薄膜电池、多晶硅薄膜电池、铜铟硒电池和碲化镉电池。碲化镉薄膜太阳电池较其他的薄膜电池容易制造，是应用前景最好的新型太阳电池，因而它向商品化进展最快。但是剧毒元素Cd对环境的污染是不容忽视的。
同硅相比，GaAs材料具有稳定性高、吸光系数大、光致发光效率低、禁带宽度与太阳光谱相匹配等特点，另外，As的毒性相对于Cd来说，大大降低。高效GaAs太阳能电池(≥30％)已被应用于外空间环境，但是进一步推广和应用GaAs太阳能电池必须大幅度降低制造成本。在廉价衬底上制备多晶GaAs薄膜太阳能电池可以降低成本。
低成本的有机半导体材料与稳定的无机半导体衬底结合组成的异质结太阳能电池是将来光伏应用的一大前景。有关无机衬底(例如InP、GaAs、Si等)和有机半导体薄膜或导电聚合物组成的异质结太阳能电池的的研究已多有报道。有机半导体分子可以和无机材料衬底进行很好的物理结合，单晶衬底对一些结构规整的有机半导体小分子有一定的外延取向作用，可以形成结晶薄膜。2002年，J.Ackermann等人蒸发p型有机半导体材料四噻吩(quaterthiophene)p-4T在n-GaAs衬底上组成了异质结太阳能电池，电池的开路光电压Voc和短路光电流Jsc分别达到了600mV和1.4mA/cm2，获得了1.6％的转化效率。2005年，他们用更高空穴迁移率的八噻吩(octirthiophene)p-8T代替4T与n-GaAs组成的电池n-GaAs/p-8T/Au获得了开路电压631mV，短路电流密度3.8mA/cm2，填充因子0.70，总能量转换效率4.2％。虽然，电池取得了不错的转化效率，但是这个电池的最大缺点是使用单晶n-GaAs，单晶片易脆，生长成本高(衬底等)，难于实现大面积，这些都限制了它的实际应用。
发明内容
本发明采用分子束外延(MBE)技术在透明衬底上(ITO玻璃、石英片等)生长GaAs多晶薄膜，并将其与有机半导体薄膜结合起来，制备新型的有机/无机复合光电转换薄膜材料。
本发明提出的基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池，其特征在于，由以下部分组成：
一沉积在玻璃衬底上的透明阳极(101)；
一沉积在阳极上的多晶镓砷薄膜(102)；
一沉积在多晶镓砷薄膜层上的有机电子受体层(103)；
一沉积在有机电子受体层上的电子阻挡层(104)；
一沉积在电子阻挡层上的阴极(105)。
进一步，所述透明阳极(101)是氧化铟锡(ITO)玻璃或者掺氟氧化锡(FTO)玻璃。
进一步，所述衬底温度在200～400℃之间。
进一步，所述镓砷薄膜(102)为无定型或多晶的镓砷薄膜。
进一步，所述镓砷薄膜(102)的厚度在100纳米到1微米之间。
进一步，所述透明阳极(101)采用二氧化钛纳米晶、氧化锌纳米晶进行修饰以增加衬底与镓砷薄膜的接触。
进一步，所述有机电子受体层(103)为以下任一材料：
富勒希C60及其衍生物、
N，N′-2-二苯基-3，4，9，10-苝四羧基二酰亚胺(PTCBI)、
3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)
进一步，所述有机电子阻挡层(104)为以下材料中的一种：
2，9-二甲基-4，7-二苯-9，10-菲罗啉(BCP)；
8-羟基喹啉铝(Alq3)；
噁二唑(OXD)衍生物。
进一步，所述阴极(105)为银或铝或铂。
本发明提出的有机/无机复合薄膜材料应用于太阳能电池中，把GaAs材料的稳定性高、光电性能优异等特点和有机半导体材料的加工简单、选材广泛等特点相结合，研发成本低廉、大面积、具备市场竞争性能的太阳能利用技术。
附图说明
图1a为一种基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池结构图；
图1b为基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池工作原理图；
图2为此电池氧化铟锡玻璃(ITO)/镓砷(GaAs)100纳米/碳60(C60)50纳米/铝(Al)100纳米的光电性能。
具体实施方式
下面将用实例将对本发明进行具体描述，但是本发明并不仅仅局限于所列举的实例。
本发明所涉及的是一种基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池。例如，这样的一个有机-无机复合太阳能结构可以由一个导电透明阳极101、无机电子给体层和吸光层102，有机电子受体层103、电子阻挡层104、阴极105组成。
在本发明中，阳极101通常氧化铟锡ITO或者掺氟氧化锡FTO玻璃。
在本发明中，无机电子给体层和吸光层102主要是多晶镓砷薄膜、可以通过控制掺杂元素和掺杂浓度制备P+-镓砷薄膜。镓砷材料表面可能存在一些缺陷，影响有机—无机间的相互作用。因此，可以通过表面处理进一步改善界面性质，可以选择的有机材料为4，4’，4”-三{N，-(3-甲基苯基)-N-苯胺}-三苯胺(m-MTDATA)、酞氰铜(CuPc)、聚-N-乙烯基咔唑(PVK)、聚(3，4-二氧乙基噻吩)：聚(对苯乙烯磺酸)(PEDOT：PSS)
在本发明中，有机电子受体层103材料是指那些与无机半导体接触紧密，在可见光区有好的光吸收，有稳定也即是长寿命的激发态存在，具备较高载流子迁移率的有机分子材料。可以为富勒希C60及其衍生物、N，N′-2-二苯基-3，4，9，10-苝四羧基二酰亚胺(PTCBI)、3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)。
在本发明中，有机电子阻挡层104材料应该具有较强的电子传输能力，而且LUMO能级比较接近通常使用阴极材料的功函。在本发明中，能够用作有机电子阻挡层的材料可以为2，9-二甲基-4，7-二苯-9，10-菲罗啉(BCP)、8-羟基喹啉铝(Alq3)、噁二唑(OXD)衍生物。
在本发明中，阴极可以为银、铝、金、铂。
本发明的特点和优势：
1、生长衬底为ITO玻璃或FTO导电玻璃，价格低廉。且玻璃可以进行各类修饰(TiO2二氧化钛等宽禁带半导体纳米晶)
2、镓砷GaAs薄膜的厚度在100纳米-1微米之间需要给出一个数值范围，而不能使用“100nm左右”，耗材少。
3、有机半导体薄膜既可以旋涂也可以蒸镀，加工方便。
4、有机/多晶镓砷GaAs薄膜界面有利于空穴和电子分离。
5、由于镓砷GaAs薄膜较薄，部分光子将被有机薄膜吸收，这样有机/镓砷GaAs界面将成为实现空穴和电子有效分离的一个重要场所。
我们制备了一种本发明涉及的薄膜电池，氧化铟锡玻璃(ITO)/镓砷(GaAs)100纳米/碳60(C60)50纳米/铝(Al)100纳米。图1a给出了此电池的结构示意图，图1b所示为此电池的工作原理图。模拟太阳能光源(能量为100毫瓦/平方米)从氧化铟锡玻璃101方向照射电池，首先被多晶镓砷薄膜102吸收，在镓砷和碳60103界面产生电子-空穴对，、由于镓砷的导带与有机电子受体碳60的最低未占轨道LUMO之间的能级差，电子很容易流向碳60的最低未占轨道LUMO，到达金属电极105，形成有效的回路，从而产生光电流。
图2给出了此电池的光电性能，电池的暗电流和开路电压分别是3.73微安和9.07毫伏，效率是0.0015％。这是世界是第一只制作在玻璃衬底上基于多晶GaAs与有机半导体材料相结合的复合太阳能电池。
至此已经结合优选实施例对本发明进行了描述。应该理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其它的改变、替换和添加。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例，而应由所附权利要求所限定。
Claims (9)
1.一种基于多晶镓砷薄膜的有机无机复合太阳能电池，其特征在于，由以下部分组成：
一沉积在玻璃衬底上的透明阳极(101)；
一沉积在阳极上的多晶镓砷薄膜(102)；
一沉积在多晶镓砷薄膜层上的有机电子受体层(103)；
一沉积在有机电子受体层上的电子阻挡层(104)；
一沉积在电子阻挡层上的阴极(105)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述透明阳极(101)是氧化铟锡(ITO)玻璃或者掺氟氧化锡(FTO)玻璃。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述衬底温度在200～400℃之间。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述镓砷薄膜(102)为无定型或多晶的镓砷薄膜。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述镓砷薄膜(102)的厚度在100纳米到1微米之间。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述透明阳极(101)采用二氧化钛纳米晶、氧化锌纳米晶进行修饰以增加衬底与镓砷薄膜的接触。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述有机电子受体层(103)为以下任一材料：
富勒希C60及其衍生物、
N，N′-2-二苯基-3，4，9，10-苝四羧基二酰亚胺(PTCBI)、
3，4，9，10-苝四甲酸二酐(PTCDA)
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述有机电子阻挡层(104)为以下材料中的一种：
2，9-二甲基-4，7-二苯-9，10-菲罗啉(BCP)；
8-羟基喹啉铝(Alq3)；
噁二唑(OXD)衍生物。
9.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于，所述阴极(105)为银或铝或铂。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN102569655A (zh) * | 2012-01-14 | 2012-07-11 | 西安电子科技大学 | 氮面氮化镓绒面太阳能电池及其制作方法 |
| CN103229313A (zh) * | 2010-09-14 | 2013-07-31 | 密歇根大学董事会 | 作为无机太阳能电池窗口层的有机半导体 |
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2007
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| CN102569655A (zh) * | 2012-01-14 | 2012-07-11 | 西安电子科技大学 | 氮面氮化镓绒面太阳能电池及其制作方法 |
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