专利名称：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η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η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ΖηΟ，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I. 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Cu2CVZnO全无机pn结太阳能电池的报道，但是未有人报道 Cu0/Zn0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—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η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I. 5 μ m、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。
—种所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法,步骤如下I)利用溶胶凝胶法在ITO上制备ZnO籽晶层^fZn(CH3COO)2 ·2Η20溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70°C下水浴加热3小时，形成锌离子浓度为O. 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°C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°C下水浴加热生长I. 5小时，取出后用去离子水清洗，在空气的气氛、温度为300°C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°C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IOmA,即可制得太阳能电池。所述Zn (CH3COO) 2 · 2H20与乙二醇甲醚的用量比为5_6g/50ml，乙醇胺与 Zn (CH3COO) 2 · 2H20 的摩尔比为 1:1。所述Zn (NO3) 2水溶液和浓度为O. 4M NaOH水溶液的混合溶液，Zn (NO3) 2水溶液的浓度为O. 01M, NaOH水溶液的浓度为O. 4M，Zn (NO3) 2水溶液与NaOH水溶液的体积比为I : I。所述Cu(NO3)2的甲醇和水的混合溶液中，Cu(NO3)2的浓度为O. 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。
图I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。
具体实施例方式实施例一种p-CuO-n-ZnO太阳能电池，如图I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η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。—种所述p-CuO-n-ZnO太阳能电池的制备方法,步骤如下I)利用溶胶凝胶法在ITO上制备ZnO籽晶层将5. 4875g的Zn (CH3COO) 2 ·2Η20溶于50ml乙二醇甲醚中，再加入I. 5ml的乙醇胺(乙醇胺与Zn(CH3COO)2 · 2H20的摩尔比为 I I)，在70°C下水浴加热3小时，形成锌离子浓度为O. 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°C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O. OlM的Zn(NO3)2水溶液和浓度为O. 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I : I， 在75°C下水浴加热生长I. 5小时，取出后用去离子水清洗，在空气的气氛、温度为300°C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I. 5 μ m、直径为 IOOnm ；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O. IM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I : 1，浸润30分钟，取出后放入400°C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IOOnm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
I.5 μ m、直径为 lOOnm。图4是ZnO及ZnO/CuO的紫外可见吸收谱图，从图中可以看出Ζη0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。
权利要求
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η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I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I. 5 μ m、直径为IOOnm0
3.根据权利要求I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I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.—种如权利要求I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· 2H20溶于乙二醇甲醚中，再加入乙醇胺，在70°C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 4000C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°C下水浴加热生长I.5小时，取出后用去离子水清洗，在空气的气氛、温度为300°C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°C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IOmA,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 · 2H20与乙二醇甲醚的用量比为5_6g/50ml，乙醇胺与Zn(CH3COO)2 · 2H20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I : I。
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I I。
全文摘要
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。
文档编号H01L31/073GK102610687SQ20121006332
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者任志瑞, 姜立芳, 徐建萍, 朱明雪, 李岚, 李梦真, 李波, 洪源, 王丽师, 葛林, 陈义鹏 申请人:天津理工大学