氧化钼-氧化锌紫外光太阳能电池的制作方法

本发明涉及一种氧化钼-氧化锌紫外光太阳能电池，属于太阳能电池技术领域。

背景技术：

紫外线过多会直接照射人体，会引起晒伤、免疫力下降、皮肤癌等严重问题。把太阳能电池安装在建筑的围护结构外表面，尤其是玻璃幕墙、玻璃屋顶、玻璃窗户等表面，除了阻挡紫外线的辐射，还可以提供电力，是未来节能建筑发展的方向。目前的太阳能电池，如晶体硅、非晶硅、铜铟镓硒、硫化镉、钙钛矿、砷化镓等太阳能电池，主要是吸收太阳光谱中的可见光和近红外光，然后把光能转换成电能，所以这些电池对可见光都是不透明的。当这些传统的电池应用到玻璃幕墙、玻璃屋顶、玻璃窗户时，尽管可以节能，但同时也会造成这些建筑的内部采光度不足，降低了建筑的居住舒适度。采用禁带宽度较大的材料，如氧化钼(moo3)、氧化镍(nio)、氧化锌(zno)等，制作而成的紫外光太阳能电池，只吸收紫外光，对可见光是透明的。当它们用于玻璃幕墙、屋顶或门窗时，在发电的同时，完全不会影响到室内的采光，而且还阻挡紫外线的辐射。因此，随着人们对建筑居住、环保及节能属性的要求越来越高，紫外光太阳能电池在光伏建筑一体化方面有着广阔的应用前景。

在光跃迁过程中，激发到材料导带中的电子和价带中的空穴，由于库仑相互作用，将形成电子空穴对，称为激子。当入射光子能量(hν)大于材料的禁带宽度(eg)，在通常情况下，从价带激发到导带中的电子会把多余的能量(hν-eg)通过碰撞传递给声子，以热能的形式损失掉，然后弛豫到导带底。如果能够使处于高能态的电子在还没有弛豫到导带底之前，就能够被太阳能电池的两极收集到，电池的开路电压就会变大，从而效率得到提高。如果激子束缚能大，有效存活时间长，声子碰撞的热化损失就较小，激子的扩散距离越远，可以吸收的太阳光越多，电池的效率就会越高。

氧化锌的禁带宽度为3.37ev，对可见光是透明的，可以吸收大部分紫外光，是制备传统的紫外光电器件的吸收层(窗口层)。非有意掺杂的氧化锌，由于材料的原生缺陷—氧空位在禁带中引入施主能级，因此通常表现为弱n型半导体，本征载流子浓度很低。氧化钼由于具有高功函数(6.7ev)，目前通常作为有机发光二极管(oled)、有机太阳能电池的空穴传输层，阻挡电子以降低电荷复合。氧化钼和氧化锌的激子束缚能分别是150和60mev，远大于室温下热能(26mev)，而且氧化钼/氧化锌界面的电荷分离速度足够大，氧化钼/氧化锌紫外光太阳能电池的开路电压就会可能会高于它们的内建势，电池的效率可以得到大幅的提升。

技术实现要素：

为了提高紫外光太阳能电池的效率，利用氧化锌薄膜中纳米晶粒的尺寸效应，使得处于高能态的光生载流子在氧化钼/氧化锌界面实现快速分离，减少由于声子碰撞引起的热损失，从而提高紫外光电池的开路电压。

为此，本发明采用的技术方案是这样的：氧化钼-氧化锌紫外光太阳能电池，其特征在于具有如下的结构：ag/ito/moo3/zno/al-zno/ito导电玻璃，其中al-zno中al的掺杂质量分数为1.5～2.5％。

本发明的制备方法，详见实施例。

在本发明中，利用非有意掺杂的氧化锌纳米薄膜作为紫外光电池的窗口层，然后以氧化钼作为空穴传输层，以铝掺杂的氧化锌(al-zno)作为电子传输层，利用磁控溅射生长氧化锌纳米薄膜，在工作气体中加入氢气，氢等离子体会增强氧化锌薄膜的晶化和晶界的钝化，从而提高薄膜的载流子迁移率，增强了纳米晶粒的量子尺寸效应。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例：

1)电池的制备

氧化钼/氧化锌紫外光太阳能电池的的结构：ag层1(500nm)、ito层2(50nm)、moo3层3(20nm)、zno层4(300nm)、al-zno层5(50nm)和ito层6，其中ag、ito、moo3、zno、al-zno薄膜依次在多靶磁控溅射沉积系统中生长。衬底为ito导电玻璃，方块电阻8～12ω，尺寸40×40mm²。靶材分别是金属银(ag)、ito(sno2：in2o3＝10：90wt％)、moo3、zno、al-zno(al掺杂质量分数1.5～2.5％)，靶材纯度为99.999％。溅射腔的本底真空为5×10^-4pa，靶材与衬底之间的距离为6.0～8.0cm，衬底温度为室温，工作气体为氩气，工作气压为0.1～0.8pa。射频电源的频率为13.56mhz，溅射薄膜厚度由膜厚测量仪监控。

(1)衬底和靶材的清洗：首先用洗涤剂、丙酮、无水乙醇依次对ito导电玻璃衬底进行超声清洗，每次清洗后用去离子水冲洗多遍，最后用氮气吹干后再放入溅射腔。靶材在放入溅射腔之前，依次用丙酮、乙醇进行清洗，再用去离子水进行冲洗，再用氮气吹干。每次薄膜生长之前，先对靶材进行预溅射10分钟，去除靶材表面的污染。

(2)al-zno和zno的生长：氩气与氢气混合气体作为溅射工作气体，其中氢气的质量分数为3％。溅射功率为0.5～0.8w/cm²，al-zno和zno薄膜厚度分别50和300nm。

(3)moo3和ito的生长：al-zno和zno薄膜生长完毕之后，关闭氢气和氩气。当溅射腔真空度优于5×10^-4pa之后，重新打开氩气，依次溅射moo3和ito薄膜，溅射功率为0.3～0.5w/cm²，moo3和ito薄膜厚度分别20和50nm。

(4)ag电极的生长：溅射功率为2.0～3.0w/cm²，薄膜厚度为500nm。

(5)退火处理：所有薄膜生长完毕之后，在未破真空的情况下，样品在250～3000c温度下原位退火5～10分钟。

2)性能测试

利用激光烧蚀，把电池分割成面积为3×3mm²的子电池。在波长为365nm，光强为10mw/cm²的紫外光源辐照下，子电池的开路电压为0.62v，短路电流密度为0.85ma/cm²，填充因子为22％，光电转换效率为1.2％。

目前制备的ag/ito/moo3/zno/al-zno/ito导电玻璃新型紫外光太阳能电池的效率很低，是因为电池的各部分参数还有优化，比如玻璃表面的陷光设计、zno窗口层光电性能、moo3/zno界面等需要进一步优化设计。尽管如此，本发明提出的紫外光太阳能电池应用到玻璃的幕墙、屋顶和窗户等，为未来建筑的居住舒适度、环保及节能等功能提供可借鉴的指导意义。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种氧化钼‑氧化锌紫外光太阳能电池，具有如下的结构：Ag/ITO/MoO3/ZnO/Al‑ZnO/ITO导电玻璃，其中Al‑ZnO中Al的掺杂质量分数为1.5～2.5％。本发明利用非有意掺杂的氧化锌纳米薄膜作为紫外光电池的窗口层，然后以氧化钼作为空穴传输层，以铝掺杂的氧化锌(Al‑ZnO)作为电子传输层，利用磁控溅射生长氧化锌纳米薄膜，在工作气体中加入氢气，氢等离子体会增强氧化锌薄膜的晶化和晶界的钝化，从而提高薄膜的载流子迁移率，增强了纳米晶粒的量子尺寸效应。

技术研发人员：黄仕华;陆肖励
受保护的技术使用者：浙江师范大学
技术研发日：2018.09.18
技术公布日：2019.02.15