CN101997084B - 一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电子器件研究领域，特指一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池。所述的太阳能电池，由底层至顶层依次为：ITO衬底、能重复、密度和尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列、CuPc薄膜、CuPc/ZnO多层膜和金电极。本发明结合了有机CuPc在光吸收和ZnO在电子传导方面各自的优势，同时利用其多界面特性，实现了光电转换效率的提高。

Description

一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明属于光电子器件研究领域，特指一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池。
背景技术
现阶段有机/无机复合太阳能电池，因既利用了无机半导体较强的光电传导能力，也利用了有机半导体薄膜的太阳能吸收特性，可以充分结合有机、无机材料各自的优势，实现较高效率的光电能量转换而倍受关注。另外，有机/无机异质结拓宽了原有单一材料的光谱响应范围，吸收不同波长的光，为宽频响应的电池开发提供了一种可靠的思路。有机/无机复合材料体系中的关键问题在于设计合理的能带匹配体系，实现光生激子的有效分离与电荷的有效传输。
目前，已见报道的初步结果有两种方式：一是将原材料按一定比例混合制得复合结构即所谓的混合异质结(体异质结)，这虽然能够保证任何位置产生的激子都可以通过很短的路径到达界面，从而电荷分离效率得到提高，但产生的电荷在向电极传输的过程中，重新复合的几率很大；另外一种是利用分层蒸镀的方法获得有机/无机异质结复合膜，包括双层和多层异质结复合膜两种结构。双层异质结中，吸收层厚度与激子传输过程的复合引起的电荷湮灭的矛盾大大影响了光电转换效率的提高。而多层有机/无机复合膜结构不光有利于光生载流子的产生，还可以有效增加吸收层的比表面积，提高其光子吸收效率，同时，解决传统器件中光子吸收效率和电荷传导效率相互制约的问题，通过设计合适的膜层厚度和器件结构，可使电子和空穴有效分离，降低光生载流子复合几率，从而提高器件性能。
宽带隙半导体材料ZnO因其容易形成纳米结构、电子迁移率大，制备简单适合作太阳能电池的n极窗口，近年来受到极大的关注。n-ZnO纳米线阵列大量存在电子的一维传输，做为太阳能电池的n极窗口可以有效增加与吸收层的接触面积、减小吸收层的厚度进而减小载流子的复合几率，有效提高光电转换效率。而酞菁铜(CuPc)是一种典型的p型有机小分子半导体材料。它的带系为1.7eV，在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大，而且具有极好的化学、热及光稳定性，并具有很好的空穴传导特性。
目前，已有不少研究报道了ZnO/CuPc复合膜的基本的光电特性，结论与我们的研究是一致的即：这一复合体系的能带结构有利于电子-空穴的有效分离与传输。但所见报道中无论是ZnO/CuPc体异质结还是双层膜结构都会明显的存在上诉的光生载流子有效分离与传导的问题，有机/无机复合光电转换效率的提高受到制约。
发明内容
本发明进行ZnO/CuPc多界面的设计，在保证充足的吸收层总体厚度的基础上增加其比表面积，提高其光子吸收效率，并有效减少了光生载流子在传输过程复合、湮灭的几率，从而有利于器件光电转换效率的提高。
所述的太阳能电池，由底层至顶层依次为：ITO衬底、能重复、密度和尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列、CuPc薄膜、CuPc/ZnO多层膜和金电极。
本发明结合了有机CuPc在光吸收和ZnO在电子传导方面各自的优势，同时利用其多界面特性，实验验证CuPc/ZnO多层膜的光暗电导比要比单一的CuPc薄膜高出5个数量级，比CuPc/ZnO双层膜和体异质结构也高出3个量级，故此能够实现光电转换效率的提高。
本发明按如下步骤实现：
利用气相输运的方法在ITO衬底上重复获得如图3所示的密度、尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列。值得说明的所述纳米线的直径要求小于200nm，均有很好的一维传导特性。
采用真空热蒸发和磁控溅射的方法在已获得的ZnO纳米线阵列薄膜上依次制备CuPc薄膜和ZnO/CuPc多层膜。制备CuPc薄膜时，衬底温度为100-200℃，CuPc薄膜的厚度为80～100nm；器件的光敏性和电导性能可以通过调节ZnO/CuPc多层膜制备时的衬底温度、膜层厚度和ZnO/CuPc周期数n等实验参数来实现，衬底温度为100-200℃，ZnO/CuPc复合膜中CuPc的厚度为10-60nm，ZnO的厚度为30-100nm，周期数n为4-8时有较好的结果。周期数n为4-8时，对应的ZnO/CuPc多层膜的层数为8～16层。
选择Au作为p-CuPc的电极，利用干法刻蚀获得欧姆接触，完成器件的制备。
本发明具有以下优点：
在透明导电的ITO衬底上直接生长ZnO纳米线阵列，解决了以往纳米结构器件电极制作困难的问题，且实验设备简单、成本低。
采用阵列ZnO纳米线为太阳能电池的n极窗口。ZnO纳米线阵列可以增加吸收层的比表面积，提高其光子吸收效率，从而相应减小吸收层厚度、降低光生载流子复合几率。更重要的是电子沿着垂直衬底生长的ZnO纳米线的生长方向传输时，电子的迁移率会大大提高，从而提高器件的光电转换效率。
利用CuPc做太阳能电池吸收层和空穴传导层，避开了无机薄膜太阳能电池吸收层成本高和不宜大规模使用的问题。同时，结合无机半导体ZnO的光电导特性、有机半导体CuPc的太阳光吸收特性和ZnO/CuPc有机/无机多层复合膜的界面特性设计电池器件结构，有效提高电池器件的光电转换效率。
附图说明
图1太阳能电池器件的结构断面示意图
其中，ZnO/CuPc多层膜的周期数n为2，仅为示意。
图2ZnO/CuPc复合膜的能带结构和界面处电子-空穴迁移过程
图3利用气相输运的方法获得的ZnO纳米阵列结构的SEM照片
具体实施方式
下面是对本发明中ZnO纳米线阵列薄膜的制备和利用它作为n极窗口设计制备n-/CuPc/(CuPc/ZnO多层膜)有机/无机复合太阳能电池的具体实施情况说明。
1.图1为器件截面的示意图，器件结构自下至上描述如下：最底层为具有ITO薄膜的玻璃衬底，其中ITO层为透明电极；接下来为严格垂直衬底的ZnO纳米线阵列；然后是CuPc层，填平了下面的阵列表面；紧接着就是CuPc/ZnO的重复周期结构，周期数为4-8；最上面是实现欧姆接触的Au电极。
2.图2为ZnO/CuPc复合膜的能带结构和界面处电子-空穴迁移过程示意图。ZnO的导带位置(4.35eV)比CuPc的LUMO(3.6eV)高，当光照在CuPc层产生电子-空穴对时，电子可以通过ZnO层输运；而CuPc的HOMO(5.3eV)位置低于ZnO的价带位置(7.72eV)，因此产生的空穴由于较高的势垒被阻挡在CuPc层内，即空穴不能从CuPc输运到ZnO层。同时CuPc为p型电导，所以ZnO层产生的空穴也可以通过p型CuPc层传输。
3.图3所示的ZnO纳米线阵列是利用CVD的方法制得的。ZnO纳米线阵列也可通过其它方法制备，但要求其与衬底的结合力好，且纳米线的密度和尺寸均一。本发明的具体过程如下：样品生长过程中载气N2的流量为150sccm，反应气体O2的流量为5-20sccm，生长温度为500-650℃。首先将高纯Zn粉置于石英舟内作为蒸发源，然后将ITO衬底放在离Zn源约0.5cm的正上方。将石英舟放置在水平管式炉中间，向系统中充入高纯N2(99.99％)作为载气，同时以15℃/min的速率对炉子进行升温。当温度到达设定的生长温度后，通入一定流量的高纯(99.99％)O2，生长压力始终保持在约1torr，生长20分钟。整个过程由电脑程序控制。

Claims (3)

1.一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述电池由底层至项层依次为：ITO衬底、能重复、密度和尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列、CuPc薄膜、CuPc/ZnO多层膜和金电极，该方法包括以下步骤：
(1)利用气相输运的方法在ITO衬底上获得密度、尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列；
(2)采用真空热蒸发和磁控溅射的方法在已获得的ZnO纳米线阵列薄膜上依次制备CuPc薄膜和ZnO/CuPc多层膜；制备CuPc薄膜时，衬底温度为100-200℃，CuPc薄膜的厚度为80～100nm；制备ZnO/CuPc多层膜时，其衬底温度为100-200℃，ZnO/CuPc多层膜中CuPc的厚度为10-60nm，ZnO的厚度为30-100nm，周期数n为4-8；
(3)选择Au作为p-CuPc的电极，利用干法刻蚀获得欧姆接触，完成电池的制备。
2.如权利要求1所述的一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述ZnO纳米线阵列的制备方法如下：样品生长过程中载气N2的流量为150sccm，反应气体O2的流量为5-20sccm，生长温度为500-650℃；首先将高纯Zn粉置于石英舟内作为蒸发源，然后将ITO衬底放在离Zn源0.5cm的正上方，将石英舟放置在水平管式炉中间，向系统中充入高纯N2作为载气，同时以15℃/min的速率对炉子进行升温，当温度到达设定的生长温度后，通入的高纯O2，生长压力始终保持在1torr，生长20分钟。
3.如权利要求1所述的CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述纳米线的直径小于200nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102412369B (zh) * 2011-10-14 2013-08-28 中国科学院等离子体物理研究所 一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN102505144B (zh) * 2011-11-03 2014-12-10 苏州大学 一种有机微纳结构定向生长的制备方法
CN106732781B (zh) * 2016-11-11 2019-02-22 福州大学 四苯基卟啉锌/氧化锌复合膜纳米材料的原位自组装制备方法
CN108281665B (zh) * 2018-01-26 2020-06-16 哈尔滨工业大学 一种双层膜保护金属负极的方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1618738A (zh) * 2003-11-18 2005-05-25 北京大学 一种氧化锌纳米线及其制备方法与应用
CN1674230A (zh) * 2004-03-26 2005-09-28 北京大学 一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用
CN101127371A (zh) * 2007-09-20 2008-02-20 复旦大学 一种纳米结构薄膜太阳能电池及其制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1618738A (zh) * 2003-11-18 2005-05-25 北京大学 一种氧化锌纳米线及其制备方法与应用
CN1674230A (zh) * 2004-03-26 2005-09-28 北京大学 一种硅衬底纳米氧化锌及其制备方法和应用
CN101127371A (zh) * 2007-09-20 2008-02-20 复旦大学 一种纳米结构薄膜太阳能电池及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Junpeng Liu,et al.Organic/inorganic hybrid solar cells with vertically oriented ZnO nanowires.《APPLIED PHYSICS LETTERS》.2009, *
何智兵,等.膜层厚度对CuPc/ZnS多层复合薄膜光电性能的影响.《材料科学与工程》.2001,第19卷(第2期),第51页-第54页. *

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