本发明专利技术属于光电子器件研究领域，特指一种ＣｕＰｃ／ＺｎＯ有机／无机复合太阳能电池。所述的太阳能电池，由底层至顶层依次为：ＩＴＯ衬底、能重复、密度和尺寸均一且垂直衬底定向生长的ＺｎＯ纳米线阵列、ＣｕＰｃ薄膜、ＣｕＰｃ／ＺｎＯ多层膜和金电极。本发明专利技术结合了有机ＣｕＰｃ在光吸收和ＺｎＯ在电子传导方面各自的优势，同时利用其多界面特性，实现了光电转换效率的提高。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电子器件研究领域，特指一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电 池。
技术介绍
现阶段有机/无机复合太阳能电池，因既利用了无机半导体较强的光电传导能 力，也利用了有机半导体薄膜的太阳能吸收特性，可以充分结合有机、无机材料各自的优 势，实现较高效率的光电能量转换而倍受关注。另外，有机/无机异质结拓宽了原有单一材 料的光谱响应范围，吸收不同波长的光，为宽频响应的电池开发提供了一种可靠的思路。有 机/无机复合材料体系中的关键问题在于设计合理的能带匹配体系，实现光生激子的有效 分离与电荷的有效传输。目前，已见报道的初步结果有两种方式一是将原材料按一定比例混合制得复合 结构即所谓的混合异质结(体异质结)，这虽然能够保证任何位置产生的激子都可以通过 很短的路径到达界面，从而电荷分离效率得到提高，但产生的电荷在向电极传输的过程中， 重新复合的几率很大；另外一种是利用分层蒸镀的方法获得有机/无机异质结复合膜，包 括双层和多层异质结复合膜两种结构。双层异质结中，吸收层厚度与激子传输过程的复合 引起的电荷湮灭的矛盾大大影响了光电转换效率的提高。而多层有机/无机复合膜结构 不光有利于光生载流子的产生，还可以有效增加吸收层的比表面积，提高其光子吸收效率， 同时，解决传统器件中光子吸收效率和电荷传导效率相互制约的问题，通过设计合适的膜 层厚度和器件结构，可使电子和空穴有效分离，降低光生载流子复合几率，从而提高器件性 能。宽带隙半导体材料ZnO因其容易形成纳米结构、电子迁移率大，制备简单适合作 太阳能电池的η极窗口，近年来受到极大的关注。η-ΖηΟ纳米线阵列大量存在电子的一维传 输，做为太阳能电池的η极窗口可以有效增加与吸收层的接触面积、减小吸收层的厚度进 而减小载流子的复合几率，有效提高光电转换效率。而酞菁铜(CuPc)是一种典型的ρ型有 机小分子半导体材料。它的带系为1. 7eV，在可见光区不仅吸收范围宽、吸收系数大，而且具 有极好的化学、热及光稳定性，并具有很好的空穴传导特性。目前，已有不少研究报道了 ZnO/CuPc复合膜的基本的光电特性，结论与我们的研 究是一致的即这一复合体系的能带结构有利于电子-空穴的有效分离与传输。但所见报 道中无论是ZnO/CuPc体异质结还是双层膜结构都会明显的存在上诉的光生载流子有效分 离与传导的问题，有机/无机复合光电转换效率的提高受到制约。
技术实现思路
本专利技术进行ZnO/CuPc多界面的设计，在保证充足的吸收层总体厚度的基础上增 加其比表面积，提高其光子吸收效率，并有效减少了光生载流子在传输过程复合、湮灭的几 率，从而有利于器件光电转换效率的提高。所述的太阳能电池，由底层至顶层依次为ΙΤ0衬底、能重复、密度和尺寸均一且 垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列、CuPc薄膜、CuPc/ZnO多层膜和金电极。本专利技术结合了有机CuPc在光吸收和ZnO在电子传导方面各自的优势，同时利用其 多界面特性，实验验证CuPc/ZnO多层膜的光暗电导比要比单一的CuPc薄膜高出5个数量 级，比CuPc/ZnO双层膜和体异质结构也高出3个量级，故此能够实现光电转换效率的提高。本专利技术按如下步骤实现利用气相输运的方法在ITO衬底上重复获得如图3所示的密度、尺寸均一且垂直 衬底定向生长的ZnO纳米线阵列。值得说明的所述纳米线的直径要求小于200nm，均有很好 的一维传导特性。采用真空热蒸发和磁控溅射的方法在已获得的ZnO纳米线阵列薄膜上依次制备 CuPc薄膜和ZnO/CuPc多层膜。制备CuPc薄膜时，衬底温度为100-200°C，CuPc薄膜的厚 度为80 IOOnm ；器件的光敏性和电导性能可以通过调节ZnO/CuPc多层膜制备时的衬底 温度、膜层厚度和ZnO/CuPc周期数η等实验参数来实现，衬底温度为100-200°C，ZnO/CuPc 复合膜中CuPc的厚度为10-60nm，ZnO的厚度为30-100nm，周期数η为4-8时有较好的结 果。周期数η为4-8时，对应的ZnO/CuPc多层膜的层数为8 16层。选择Au作为p-CuPc的电极，利用干法刻蚀获得欧姆接触，完成器件的制备。本专利技术具有以下优点在透明导电的ITO衬底上直接生长ZnO纳米线阵列，解决了以往纳米结构器件电 极制作困难的问题，且实验设备简单、成本低。采用阵列ZnO纳米线为太阳能电池的η极窗口。ZnO纳米线阵列可以增加吸收层 的比表面积，提高其光子吸收效率，从而相应减小吸收层厚度、降低光生载流子复合几率。 更重要的是电子沿着垂直衬底生长的ZnO纳米线的生长方向传输时，电子的迁移率会大大 提高，从而提高器件的光电转换效率。利用CuPc做太阳能电池吸收层和空穴传导层，避开了无机薄膜太阳能电池吸收 层成本高和不宜大规模使用的问题。同时，结合无机半导体ZnO的光电导特性、有机半导体 CuPc的太阳光吸收特性和ZnO/CuPc有机/无机多层复合膜的界面特性设计电池器件结构， 有效提高电池器件的光电转换效率。附图说明图1太阳能电池器件的结构断面示意图其中，ZnO/CuPc多层膜的周期数η为2，仅为示意。图2Zn0/CUPc复合膜的能带结构和界面处电子-空穴迁移过程图3利用气相输运的方法获得的ZnO纳米阵列结构的SEM照片具体实施例方式下面是对本专利技术中ZnO纳米线阵列薄膜的制备和利用它作为η极窗口设计制备 n-/CuPc/(CuPc/ZnO多层膜)有机/无机复合太阳能电池的具体实施情况说明。1.图1为器件截面的示意图，器件结构自下至上描述如下最底层为具有ITO薄 膜的玻璃衬底，其中ITO层为透明电极；接下来为严格垂直衬底的ZnO纳米线阵列；然后是CuPc层，填平了下面的阵列表面；紧接着就是CuPc/ZnO的重复周期结构，周期数为4_8 ；最 上面是实现欧姆接触的Au电极。2.图2为ZnO/CuPc复合膜的能带结构和界面处电子-空穴迁移过程示意图。ZnO 的导带位置(4. 35eV)比CuPc的LUMO(3. 6eV)高，当光照在CuPc层产生电子-空穴对时， 电子可以通过ZnO层输运；而CuPc的HOMO (5. 3eV)位置低于ZnO的价带位置(7. 72eV)，因 此产生的空穴由于较高的势垒被阻挡在CuPc层内，即空穴不能从CuPc输运到ZnO层。同 时CuPc为ρ型电导，所以ZnO层产生的空穴也可以通过ρ型CuPc层传输。3.图3所示的ZnO纳米线阵列是利用CVD的方法制得的。ZnO纳米线阵列也可通 过其它方法制备，但要求其与衬底的结合力好，且纳米线的密度和尺寸均一。本专利技术的具体 过程如下样品生长过程中载气N2的流量为150sCCm，反应气体O2的流量为5-20sCCm，生长 温度为500-650°C。首先将高纯Zn粉置于石英舟内作为蒸发源，然后将ITO衬底放在离Zn 源约0. 5cm的正上方。将石英舟放置在水平管式炉中间，向系统中充入高纯N2 (99. 99% ) 作为载气，同时以15°C /min的速率对炉子进行升温。当温度到达设定的生长温度后，通入 一定流量的高纯(99.99%)02，生长压力始终保持在约ltorr，生长20分钟。整个过程由电 脑程序控制。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＣｕＰｃ／ＺｎＯ有机／无机复合太阳能电池，其特征在于：所述电池由底层至顶层依次为：ＩＴＯ衬底、能重复、密度和尺寸均一且垂直衬底定向生长的ＺｎＯ纳米线阵列、ＣｕＰｃ薄膜、ＣｕＰｃ／ＺｎＯ多层膜和金电极。
【技术特征摘要】
一种CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池，其特征在于所述电池由底层至顶层依次为ITO衬底、能重复、密度和尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO纳米线阵列、CuPc薄膜、CuPc/ZnO多层膜和金电极。2.权利要求1所述的CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池，其特征在于所述纳米线 的直径要求小于200nm。3.权利要求1所述的CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池，其特征在于=CuPc薄膜的 厚度为80 IOOnm04.权利要求1所述的CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池，其特征在于Zn0/CuPc多 层膜中CuPc的厚度为10-60nm，Zn0的厚度为30_100nm，ZnO/CuPc多层膜的层数为8 16层。5.权利要求1所述的CuPc/ZnO有机/无机复合太阳能电池的制备方法，包括以下步骤(1)利用气相输运的方法在ITO衬底上获得密度、尺寸均一且垂直衬底定向生长的ZnO 纳米线阵列；(2)采用真空热蒸发和磁控溅射的方法在已获得的ZnO纳米线阵列薄膜上依次制备 CuPc...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴春霞，周明，高传玉，蔡兰，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
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