一种吸收波长选择的有机太阳能电池的制作方法

本发明属有机半导体光电器件技术领域，具体涉及具有mis结构的有机太阳能电池器件，可以制造出可以彩色的太阳能电池器件。

背景技术：

太阳能电池的基本原理是基于半导体异质结或金属半导体界面附近的光伏效应，所以又称为光伏电池。当光子入射到光敏材料时，激发材料内部产生电子和空穴对，在静电势能作用下分离,然后被接触电极收集，这样外电路就有电流通过，有机太阳能电池利用的也是光伏效应。在太阳光的照射下有机材料吸收光子，如果该光子的能量大于有机材料的禁带宽度eg就会产生激子(电子空穴对)。激子的结合能大约为0.2～1.0ev，高于相应的无机半导体激发产生的电子空穴对的结合能，因此激子不会自动解离，两种具有不同电子亲和能和电离势的材料相结触，接触界面处产生接触电势差，可以驱动激子解离.单纯由一种纯有机物夹在两层金属电极之间制成的肖特基电池效率很低。后来将p型半导体材料(施主donor)和n型半导体材料(受主acceptor)结合，发现两种材料界面处激子的解离非常有效，这就是通常所说的p-n异质结型太阳能电池。

mis结构的装置可以研究表面电场效应。这种装置是由中间以绝缘层隔开的金属板和半导体衬底组成的，半导体通常背后有一个欧姆接触。在金属板与半导体间加电压时即可产生表面电场。由于金属和半导体功函数的不同、绝缘层内可能存在带电离子及界面态等原因，情况还是很复杂。理想情况下，即mis结构满足以下条件：

(1)金属与半导体间功函数差为零；

(2)在绝缘层内没有任何电荷且绝缘层完全不导电；

(3)绝缘体与半导体界面处不存在任何界面态。

此时mis结构是理想，在这种情况下考虑当金属与半导体间加某一电压而产生垂直于表面的电场时，半导体表面层内的电势及电荷分布情况。由于mis结构实际就是一个电容，因此当在金属与半导体之间加电压后，在金属与半导体相对的两个面上就要被充电。两者所带电荷符号相反，电荷分布情况也很不同。在金属中，自由电子密度很高，电荷基本上分布在一个原子层的厚度范围之内；而在半导体中，由于自由载流子密度要低得多，电荷必须分布在一定厚度的表面层内，这个带电的表面层称做空间电荷区。在空间电荷区内，从表面到内部电场逐渐减弱,到空间电荷区的另端，场强减小到零。另一方面，空间电荷区内的电势也要随距离逐渐变化，这样，半导体表面相对体内就产生电势差，同时能带也发生弯曲，表面势和空间电荷区内分布情况会随金属与半导体之间所加电压而变化，基本上可以归纳为堆积、耗尽、反型三种情况：

对于p型半导体:

(1)多数载流子堆积状态

当金属与半导体间加负电压(指金属接负)时，表面势为负值，表面处能带向上弯曲。在热平衡情况下，半导体内费米能级应保持定值，故随着向表面接近，价带顶将逐渐移近甚至高过费米能级，同时价带中空穴浓度也将随之增加。这样，表面层内就出现空穴的堆积而带正电荷。从图中还可看到，越接近表面空穴浓度越高，这表明堆积的空穴分布在最靠近表面的薄层内。

(2)多数载流子耗尽状态

当金属与半导体间加正电压(指金属接正)时，表面势vs为正值,表面处能带向下弯曲。这时越接近表面,费米能级离价带顶越远，价带中空穴浓度随之降低。在靠近表面的一定区域内，价带顶位置比费米能级低得多，根据玻耳兹曼分布，表面处空穴浓度将较体内空穴浓度低得多，表面层的负电荷基本上等于电离受主杂质浓度。表面层的这种状态称做耗尽。

(3)少数载流子反型状态

当加于金属和半导体间的正电压进一步增大时，表面处能带相对于体内将进一步向下弯曲。这时表面处费米能级位置可能高于禁带中央能量ei，也就是说，费米能级离导带底比离价带顶更近一些。这意味着表面处电子浓度将超过空穴浓度，即形成与原来半导体衬底导电类型相反的一层，叫做反型层。反型层发生在近表面处，从反型层到半导体内部还夹着一层耗尽层。在这种情况下，半导体空间电荷层内的负电荷由两部分组成，一部分是耗尽层中已电离的受主负电荷；另一部分是反型层中的电子,后者主要堆积在近表面区。

有关光的反射相移指的是：当光从光密介质到光疏介质界面上发生全反射时，p分量和s分量之间要产生相位变化，这种现象称之为反射相移，反射相移和入射角以及折射率有关。所以在mis结构两端改变电压后，金属层4载流子发生改变，造成了有机半导体层中载流子浓度的改变，从而入射光的折射率发生改变，折射率与反射相移有关，进而改变电池完美吸收的波长。

技术实现要素：

本发明提出了一种吸收波长选择的有机太阳能电池结构，通过保持金-有机半导体-mis-金属电池结构中的材料层厚度不变，改变mis两端电压，实现对可见光范围内吸收波长的选择。这种方案有助于实现多种波长可选择的有机太阳能电池。

本发明采用的技术方案是：

一种波长选择吸收的有机太阳能电池，该结构由吸收波长调节结构部分和有机太阳能电池结构部分构成，其中吸收波长调节部分由衬底上的金属层1、半导体层2、绝缘层3、金属层4构成，有机太阳能电池结构部分由金属层4、有机半导体层5以及顶部金属层6构成。

所述的金属层1为al,cr,ti,ni,au,ag,cu,pt中的一种，其厚度在50nm～500nm之间。

所述的金属层4为al,cr,ti,ni,au,ag,cu,pt中的一种，其厚度在10nm～100nm之间。

所述的金属层6为al,cr,ti,ni,au,ag,cu,pt中的一种，其厚度在10nm～100nm之间。

所述的半导体层2为fto、ito、si、gaas、inp、sic和金刚石中的一种，其厚度在10nm～100nm之间。

所述的绝缘层3为sio2、tio2、al2o3、hfo2、zro2材料中的一种，其厚度在1nm～50nm之间。

所述的有机半导体层5由酞菁(phthalocyanine)、卟啉(porphyrin)、菁染料(cyanine)、m-mtdata、meh-ppv:c60衍生物pcbm、pcbm:mdmo-ppv中的一种或几种构成。

本发明的有益效果是：结构简单，通过简单地改变活mis层两端的电压，可以制备出不同波长的太阳能电池。

附图说明

图1为本发明一种吸收波长选择的有机太阳能电池结构示意图

图2为本发明实施例1的一种吸收波长选择的有机太阳能电池结构示意图。

图3为本发明实施例2的一种吸收波长选择的有机太阳能电池结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种吸收波长选择的有机太阳能电池结构进一步详细描述。图1为本发明的一种实施例，该实施例中金属衬底层1为al厚度为20nm、mis结构中层2为ito厚度为30nm、层3为sio2厚度为20nm、层4为ag厚度为20nm、有机半导体层5为给体meh-ppv与受体pcbm，厚度为200nm、金属层6为al厚度为60nm。mis两端所加电压为5v。在mis结构两端加电压之后，ito中的自由载流子会聚集到空间电荷区，从而金属层4中载流子会聚集到绝缘层与金属层4的交界面。当太阳光从表面即金属层6入射时，活性吸收光子形成激子，金属层4与金属层6之间存在电势差，形成电压，实现了太阳能电池的功能。

实施例2为实施例1的一个简单变化。图2为实施例2的结构图。其中金属衬底层1为al厚度为20nm、mis结构中层2为ito厚度为30nm、层3为sio2厚度为20nm、层4为ag厚度为20nm、有机半导体层5为给体meh-ppv与受体pcbm，厚度为200nm、金属层6为al厚度为60nm，mis两端所加电压为15v。该实施例中仅将实施例1中msi两端的电压增加到15v。由于电池中mis两端的电压ito中空间电荷层中载流子发生改变，有机板半导体层中折射率发生改变，在金属4中会产生吸收位移，从而改变了完美吸收波长。所构成的太阳能电池吸收波长发生改变。