CN102610687A - 一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池，底层至顶层依次叠加为ITO衬底、垂直定向的ZnO纳米棒阵列、CuO薄膜和Au电极，垂直定向的ZnO纳米棒阵列作n型半导体吸收层，CuO薄膜作p型半导体光吸收层和空穴传输层；其制备方法是：利用溶胶凝胶法在ITO上制备ZnO籽晶层，化学浴沉积法制备垂直定向的氧化锌纳米棒阵列，原位生长法在ZnO纳米棒阵列上制备CuO薄膜，用离子束溅射仪溅射Au电极。本发明的优点是：该制备方法设备简单、成本低；采用CuO作为光吸收层和空穴传输层，与有机材料相比有更好的电迁移能力；结合无机ZnO的电传导特性，CuO的高的光吸收和低的热发射度，可有效提高太阳能电池的光电转换效率。

Description

一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件及太阳能电池制备，特别是一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池及其制备方法。
背景技术
ZnO是一种在室温下禁带宽度为3.37ev的n型半导体材料，激子束缚能为60mV，是一种有前景的光电子器件和紫外发射材料。由于其优异的光电性能、无毒、低廉的价格、高的稳定性，使其在半导体材料领域占据十分重要的地位。此外，ZnO有较高的电子迁移率，是TiO2电子迁移率的10-100倍。
一维ZnO纳米棒阵列是做太阳电池的很好的候选者，主要基于以下三点：具有很低的反射率，可以提高太阳光的吸收；有很大的体积比和截面积，有助于界面电荷的分离；电子沿着纳米棒快速的传输，提高了电荷收集效率。然而同时获得同种材料的n型和p型的半导体是很困难的，且ZnO只在紫外区有吸收，为了增强其在可见区的吸收范围，考虑到用窄禁带材料包覆ZnO，形成核壳结构，使材料的带隙展宽到可见区范围内，增强它对太阳光的吸收，从而提高太阳能电池的转换效率。
CuO是一种典型的p型半导体材料。它的带隙为1.5ev，接近理想太阳能电池的带隙，能与太阳能光谱很好的相匹配。它在可见光区吸收范围宽，吸收系数大，而且具有化学、光稳定性。由于其具有高的光吸收和低的热发射度，因此可以做太阳能电池中的吸光材料。尽管CuO已经在染料敏化太阳能电池中被用作空穴传输层和电子阻挡层，但是很少有报道用CuO作为太阳能电池的p型半导体活性层。CuO作为太阳能电池的一个重要优势在于它的合成方法简单、无毒且成本低廉。
目前，已有不少关于Cu2O/ZnO全无机pn结太阳能电池的报道，但是未有人报道CuO/ZnO全无机耗尽层异质结太阳能电池。CuO比Cu2O化学性质更稳定，禁带宽度更加接近理想的太阳能电池，是一种做太阳能电池的理想材料。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池引入CuO窄禁带半导体作吸收层和空穴传输层，通过调节包覆CuO的层数可以获得最大的吸收强度和吸收范围，以提高太阳能电池的能量转化效率。
本发明的技术方案：
一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池，底层至顶层依次叠加为ITO衬底、垂直定向的ZnO纳米棒阵列、CuO薄膜和Au电极，其中垂直定向的ZnO纳米棒阵列作为n型半导体吸收层，CuO薄膜作为p型半导体光吸收层和空穴传输层。
所述ZnO纳米棒的长度为1.5μm、直径为100nm。
所述CuO薄膜的厚度为50-100nm。
所述Au电极的厚度为100nm。
一种所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1)利用溶胶凝胶法在ITO上制备ZnO籽晶层：将Zn(CH3COO)2·2H2O溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70℃下水浴加热3小时，形成锌离子浓度为0.5mol/L的ZnO溶胶，陈化12小时，然后在4000转/分钟的转速下将ZnO溶胶旋涂在清洗干净的ITO衬底表面，在400℃的马弗炉内退火5-10分钟，上述旋涂和退火重复两次，获得ZnO籽晶层；
2)通过化学浴沉积法制备垂直定向的氧化锌纳米棒阵列：将上述制备有ZnO籽晶层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℃下水浴加热生长1.5小时，取出后用去离子水清洗，在空气的气氛、温度为300℃条件下退火半小时，得到垂直定向的ZnO纳米棒阵列；
3)通过原位生长法在ZnO纳米棒阵列上制备CuO薄膜：将上述ZnO纳米棒阵列的片子插入Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中浸润30分钟，取出后放入400℃的马弗炉内加热10分钟；
4)用离子束溅射仪溅射一层Au电极作为p-CuO欧姆接触的电极，其真空机压强为6-8mmHg，放电电流为10mA，即可制得太阳能电池。
所述Zn(CH3COO)2·2H2O与乙二醇甲醚的用量比为5-6g/50ml，乙醇胺与Zn(CH3COO)2·2H2O的摩尔比为1∶1。
所述Zn(NO3)2水溶液和浓度为0.4M NaOH水溶液的混合溶液，Zn(NO3)2水溶液的浓度为0.01M，NaOH水溶液的浓度为0.4M，Zn(NO3)2水溶液与NaOH水溶液的体积比为1∶1。
所述Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，Cu(NO3)2的浓度为0.1M，甲醇和水的体积比为1∶1。
本发明的优点是：
利用化学方法在ITO上制备ZnO纳米棒阵列，该方法设备简单、成本低；采用CuO作为光吸收层和空穴传输层，与有机材料相比有更好的电迁移能力且成本低廉；结合无机ZnO的电传导特性，CuO的高的光吸收和低的热发射度，可有效提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
图1为太阳能电池的断面结构示意图。
图2为ZnO/CuO能级结构图。
图3为ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜图。
图4为ZnO及ZnO/CuO的紫外可见吸收谱图。
具体实施方式
实施例：
一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池，如图1所示，底层至顶层依次叠加为ITO衬底、垂直定向的ZnO纳米棒阵列、CuO薄膜和Au电极，其中垂直定向的ZnO纳米棒阵列作为n型半导体吸收层，CuO薄膜作为p型半导体光吸收层和空穴传输层。
一种所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1)利用溶胶凝胶法在ITO上制备ZnO籽晶层：将5.4875g的Zn(CH3COO)2·2H2O溶于50ml乙二醇甲醚中，再加入1.5ml的乙醇胺(乙醇胺与Zn(CH3COO)2·2H2O的摩尔比为1∶1)，在70℃下水浴加热3小时，形成锌离子浓度为0.5mol/L的ZnO溶胶，陈化12小时，然后在4000转/分钟的转速下将ZnO溶胶旋涂在清洗干净的ITO衬底表面，在400℃的马弗炉内退火10分钟，上述旋涂和退火重复两次，获得ZnO籽晶层；
2)通过化学浴沉积法制备垂直定向的氧化锌纳米棒阵列：将上述制备有ZnO籽晶层的片子水平倒置浸入浓度为0.01M的Zn(NO3)2水溶液和浓度为0.4M NaOH水溶液的混合溶液中，混合溶液的总体积为200ml，Zn(NO3)2水溶液与NaOH水溶液的体积比为1∶1，在75℃下水浴加热生长1.5小时，取出后用去离子水清洗，在空气的气氛、温度为300℃条件下退火半小时，得到垂直定向的ZnO纳米棒阵列，ZnO纳米棒的长度为1.5μm、直径为100nm；
3)通过原位生长法在ZnO纳米棒阵列上制备CuO薄膜：将上述ZnO纳米棒阵列的片子插入0.1M的Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，混合溶液的总体积为100ml，甲醇和水的体积比为1∶1，浸润30分钟，取出后放入400℃的马弗炉内加热10分钟，CuO薄膜的厚度为50nm；
4)用离子束溅射仪溅射一层厚度为100nm的Au电极作为p-CuO欧姆接触的电极，其真空机压强为6-8mmHg，放电电流为10mA，即可制得太阳能电池。
图2是ZnO/CuO的能级结构图，图中表明：ZnO的导带位置(4.4ev)比CuO的导带(3.7ev)高，当光照在CuO层是产生电子空穴对，电子可以从CuO的导带传输到ZnO的导带上，继而被光电阴极ITO收集。而CuO的价带(5.2ev)比ZnO的价带(7.8ev)低，所以空穴从从ZnO的价带传输到CuO的价带上，继而被光电阳极的Au收集。
图3是ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜图，图中显示：所述ZnO纳米棒的长度为1.5μm、直径为100nm。
图4是ZnO及ZnO/CuO的紫外可见吸收谱图，从图中可以看出：ZnO纳米棒只能吸收波长小于370nm的高能光，而被CuO包覆后，吸收边发生红移且在整个可见区都有很强的吸收。

Claims (8)

1.一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池，其特征在于：底层至顶层依次叠加为ITO衬底、垂直定向的ZnO纳米棒阵列、CuO薄膜和Au电极，其中垂直定向的ZnO纳米棒阵列作为n型半导体吸收层，CuO薄膜作为p型半导体光吸收层和空穴传输层。
2.根据权利要求1所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池，其特征在于：所述ZnO纳米棒的长度为1.5μm、直径为100nm。
3.根据权利要求1所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池，其特征在于：所述CuO薄膜的厚度为50-100nm。
4.根据权利要求1所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池，其特征在于：所述Au电极的厚度为100nm。
5.一种如权利要求1所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)利用溶胶凝胶法在ITO上制备ZnO籽晶层：将Zn(CH3COO)2·2H2O溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70℃下水浴加热3小时，形成锌离子浓度为0.5mol/L的ZnO溶胶，陈化12小时，然后在4000转/分钟的转速下将ZnO溶胶旋涂在清洗干净的ITO衬底表面，在400℃的马弗炉内退火5-10分钟，上述旋涂和退火重复两次，获得ZnO籽晶层；
2)通过化学浴沉积法制备垂直定向的氧化锌纳米棒阵列：将上述制备有ZnO籽晶层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℃下水浴加热生长1.5小时，取出后用去离子水清洗，在空气的气氛、温度为300℃条件下退火半小时，得到垂直定向的ZnO纳米棒阵列；
3)通过原位生长法在ZnO纳米棒阵列上制备CuO薄膜：将上述ZnO纳米棒阵列的片子插入Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中浸润30分钟，取出后放入400℃的马弗炉内加热10分钟；
4)用离子束溅射仪溅射一层Au电极作为p-CuO欧姆接触的电极，其真空机压强为6-8mmHg，放电电流为10mA，即可制得太阳能电池。
6.根据权利要求5所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述Zn(CH3COO)2·2H2O与乙二醇甲醚的用量比为5-6g/50ml，乙醇胺与Zn(CH3COO)2·2H2O的摩尔比为1∶1。
7.根据权利要求5所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述Zn(NO3)2水溶液和浓度为0.4M NaOH水溶液的混合溶液，Zn(NO3)2水溶液的浓度为0.01M，NaOH水溶液的浓度为0.4M，Zn(NO3)2水溶液与NaOH水溶液的体积比为1∶1。
8.根据权利要求5所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，Cu(NO3)2的浓度为0.1M，甲醇和水的体积比为1∶1。
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