CN102583223A - 基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法 - Google Patents

基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法，首先通过一次紫外光刻的方法在CuS准一维纳米结构上制备一对金属薄膜电极，这对金属薄膜电极通过所述CuS准一维纳米结构连通，与其呈欧姆接触；然后通过二次紫外光刻，在该对金属薄膜电极中插入铟锡氧化物(ITO)透明薄膜电极，所述ITO薄膜电极与所述CuS准一维纳米结交叉呈肖特基接触，形成CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池。本发明制备方法简单易行，稳定可靠，可以应用到多种准一维纳米尺寸的肖特基结纳米太阳能电池的制备。

Description

基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法
一、技术领域
本发明涉及一种半导体器件的制备方法，具体地说是基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法。
二、背景技术
太阳能由于具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿命以及易于维护等其他常规能源所不具有的优点，被认为是21世纪最重要的新能源。无机半导体准一维纳米结构具有高结晶性、高纯度、直接的电子通道和快速的电子传输等特点，而在纳米太阳能电池方面有着重要的应用。目前主要的纳米太阳能电池有：染料敏化太阳能电池，无机纳米颗粒太阳能电池，纳米晶聚合物太阳能电池等等。与传统的单晶和薄膜太阳能电池相比，纳米太阳能电池在工艺、尺寸、成本上都有相当大的优势。
硫化铜(CuS)是很重要的过渡金属硫属化合物，带隙能为1.2eV，由于其优异的电学、光学以及其他的物理和化学性质，可以覆盖在聚合物的表面以提高其导电性，并在锂离子二级电池、高能量电极材料等诸多领域都有很好的应用前景。此外由于其p型电导性，CuS在太阳能电池领域也受到人们广泛的关注。上世纪80年代，基于Cu2S/CdS薄膜的太阳能电池已有研究，近年来基于Cu2S纳米晶的太阳能电池也有报导，但是基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池仍鲜有研究。Mehta等采用溶剂热法和局部置换反应生长了CdS-CuxS单根纳米棒异质结，其光伏器件性能比薄膜太阳能电池显著提高，但是其制备的工艺过程复杂，且可控性差，同时n型半导体材料CdS的毒性也在一定程度上限制了其广泛使用。
三、发明内容
本发明旨在提供一种基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法，所要解决的技术问题是遴选一种环保的电极材料并在保证太阳能电池性能的前提下简化制备方法。
ITO(氧化铟锡)薄膜是一种n型半导体材料，具有高的电导率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性，是液晶显示器、等离子显示器、触摸屏、太阳能电池以及其他电子仪表的透明电极最常用的薄膜材料。在此我们利用其作为电极材料并与CuS形成p-n结，构成CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法，其特征在于：将CuS准一维纳米结构3分散在覆有绝缘层2的硅片1上，通过一次紫外光刻的方法在绝缘层2上制备一金属薄膜电极对4，所述金属薄膜电极4通过所述CuS准一维纳米结构3连通并且所述金属薄膜电极对4与CuS准一维纳米结构3呈欧姆接触；然后通过紫外光刻的方法在绝缘层2上制备一ITO透明薄膜电极5，所述ITO透明薄膜电极5位于所述金属薄膜电极对4之间并且与所述CuS准一维纳米结构3交叉呈肖特基接触，得到基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池即CuS/ITO肖特基结准一维纳米结构的纳米太阳能电池。
所述CuS准一维纳米结构3为长度不小于10μm的纳米线、纳米管或纳米带，其中纳米管的直径小于1μm。
所述金属薄膜电极对4为包括In、Ti、Au、Cu中的一种或几种。
所述ITO透明薄膜电极5采用脉冲激光沉积的方法镀膜，镀膜时的真空度为1-3×10-3Pa，沉积所用激光能量为120mJ，脉冲频率为5Hz。
所述ITO透明薄膜电极5厚度为50-500nm，所述ITO透明薄膜电极5和所述CuS准一维纳米结构3相接触的宽度小于5μm。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明所述ITO薄膜电极5与所述CuS准一维纳米结构3交叉呈肖特基接触，形成CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池，可直接完成异质结的形成和器件制备，制备过程简单易行，采用ITO作为电极材料并与CuS形成p-n结，环保可靠。
四、附图说明
图1是实施例中CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池的器件结构示意图。
其中1为硅片，2为绝缘层，3为CuS准一维纳米结构，4为金属薄膜电极对，5为ITO薄膜电极。
图2是实施例中CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池的SEM照片。
图3是实施例中以Cu/Au复合电极为欧姆接触电极的CuS纳米管的I-V曲线。
图4是实施例中CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池的光伏特性曲线。
图5是实施例中CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池的光响应曲线。
五、具体实施方式
下面结合附图详细描述本发明基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法，非限定实施例如下。
1、将常规液相牺牲模板法合成的CuS纳米管(J.Mater.Chem.，2006，16，3326-3331，diameters in the range of 60-160nm and lengths of more than 40μm)3超声分散在无水乙醇中形成悬浮液，用胶头滴管吸取悬浮液滴在清洁的覆有300nm厚的SiO2绝缘层2的硅片1上，实现CuS纳米管3在绝缘层2上的均匀、水平分散，通过电子显微镜观察，使其分散密度约为5-12根/mm2。均匀旋涂正性光刻胶后，利用掩模板进行紫外曝光并显影，光刻出一对电极图形，该对电极图形之间的距离为8μm，并且该对电极图形通过CuS纳米管3连通；利用电子束蒸发技术先蒸镀一层10nm厚的Cu，再蒸镀一层50nm厚的Au，得到Cu/Au复合电极即金属薄膜电极对4作为欧姆接触电极，金属薄膜电极对4与CuS纳米管3呈欧姆接触；接着用丙酮去除未曝光的光刻胶及其上方蒸镀的金属。
2、均匀旋涂正性光刻胶后利用另一掩模板进行紫外曝光并显影，在绝缘层2上光刻制备一宽度为3μm的T型电极图形，该T型电极图形位于所述金属薄膜电极对4之间并且与所述CuS纳米管3交叉，利用脉冲激光沉积的方法(真空度为1～3×10-3Pa，激光能量为120mJ，频率为5Hz)蒸镀300nm厚的ITO薄膜，接着用丙酮去除未曝光的光刻胶及其上方蒸镀的ITO从而得到ITO薄膜电极5，ITO薄膜电极5和CuS纳米管3相交形成肖特基接触，得到CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池。
本发明CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池结构示意图如图1所示。SEM照片如图2所示。图3所示为以Cu/Au复合电极为欧姆接触电极的CuS纳米管的I-V曲线，表明CuS和Cu/Au复合电极间形成良好的欧姆接触。图4是在光强为0.35mW cm-2功率的白光条件下，CuS/ITO肖特基结纳米太阳能电池的光伏特性曲线，开路电压Voc为0.045V，短路电流Isc为0.265μA，填充因子FF为22.36％，转换效率为1.174％。图5是CuS/ITO肖特基结在0偏压下的光响应曲线，表明该肖特基结有良好的光响应和稳定性。

Claims (5)

1.基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池的制备方法，其特征在于：将CuS准一维纳米结构(3)分散在覆有绝缘层(2)的硅片(1)上，通过紫外光刻的方法在绝缘层(2)上制备一金属薄膜电极对(4)，所述金属薄膜电极(4)通过所述CuS准一维纳米结构(3)连通并且所述金属薄膜电极对(4)与CuS准一维纳米结构(3)呈欧姆接触；然后通过紫外光刻的方法在绝缘层(2)上制备一ITO透明薄膜电极(5)，所述ITO透明薄膜电极(5)位于所述金属薄膜电极对(4)之间并且与所述CuS准一维纳米结构(3)交叉呈肖特基接触，得到基于CuS准一维纳米结构的纳米太阳能电池即CuS/ITO肖特基结准一维纳米结构的纳米太阳能电池；所述绝缘层(2)为SiO2。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述CuS准一维纳米结构(3)为长度不小于10μm的纳米线、纳米管或纳米带；所述纳米管的直径小于1μm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述金属薄膜电极对(4)为包括In、Ti、Au、Cu中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述ITO透明薄膜电极(5)采用脉冲激光沉积的方法镀膜，镀膜时的真空度为1-3×10-3Pa，沉积所用激光能量为120mJ，脉冲频率为5Hz。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述ITO透明薄膜电极(5)厚度为50-500nm，所述ITO透明薄膜电极(5)和所述CuS准一维纳米结构(3)相接触的宽度小于5μm。
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