一种太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于太阳能电池领域，其公开了一种太阳能电池，太阳能电池具有如下结构：起电极作用的导电层/衬底/由半导体化合物材料形成的纳米柱阵列和光活性材料填充材料/透明导电电极层/保护电极。本发明专利技术还公开了一种太阳能电池得制备方法。本发明专利技术提供的太阳能电池，由于半导体纳米柱阵列的存在，能使太阳能电池的短路电流增大，进而提高其光电转换效率；同时，由于纳米柱阵列中填充了有机光活性材料，此种周期性的结构形成了光子晶体结构，光活性的有机材料来不及吸收的太阳光可以通过光子晶体结构的反射作用重新照射到有机材料上，增强有机材料对太阳光的吸收，从而也可以提高其光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳能电池，尤其涉及一种光活性层含有有机/无机杂化结构的太阳能电池。本专利技术还涉及该太阳能电池的制备方法。
技术介绍
随着全球经济的快速发展，能源的消耗急剧增长，化石燃料的巨量使用不仅造成了煤、石油、天然气等不可再生资源的日渐枯竭，威胁到人类社会的能源安全，而且大量二氧化碳的排放也造成了日益严重的社会环境问题。在这种形势下，急需开发利用既经济性能又高的清洁能源。其中，太阳能被视为可利用的、最有前途的、可再生能源之一，引起人们的关注。太阳能的利用方案主要包括光热和光伏两大类，其中光伏发电以其高效、系统简洁、长寿命、维护简单等优点备受青睐，成为太阳能利用的主流技术。光伏发电的核心元件是太阳能电池。在众多种类的太阳能电池中，以单晶硅和多晶硅技术最为成熟，是目前市场上的主流。但目前这些太阳能电池的成本仍然较高，只能在一些特殊的场合使用。因此，要使太阳能发电得到大规模推广，就必须提高太阳能电池的效率、降低其成本。有机太阳能电池技术被认为是最有吸引力、廉价的太阳能电池技术之一。一方面是有机材料合成成本低、功能易于调制、柔韧性及成膜性都较好；另一方面有机太阳能电池的制造工艺不需要涉及无机物溅射、化学气相沉积、高纯度硅晶体生长制备、掺杂等薄膜工艺及昂贵的物理或化学加工手段，可以通过旋涂或喷墨打印等成膜技术易实现大面积制造、制造过程相对简单、可使用柔性衬底、环境友好、轻便易携、器件制作成本也较低。有机太阳能电池具有重要的生态和经济上的优势，其研究和发展使太阳能电池低成本化成为可能，成为可再生能源领域研究的热点，备受学术界与产业界的关注。近年来，随着对有机太阳能电池材料和器件结构的不断探索，有机太阳能电池的效率已经达到了 6-7%。然而要实现商业化，有机太阳能电池的光电转换效率仍然较低，器件的稳定性也还有待于进一步的提高。导致有机太阳能电池光电转换效率偏低的主要原因有共轭聚合物的吸收光谱与太阳光谱不匹配，对太阳光的利用率偏低；另外，在本体异质结型的有机太阳能电池中，由于异质结界面增多，活性材料吸收太阳光后产生的激子能迅速解离形成自由的电子和空穴，但是与无机半导体相比，有机物中的载流子迁移率相对较低，大部分的载流子还未来得及传输到电池的两电极，就已经发生了复合，这样就导致电流损失，使有机太阳能电池的短路电流较低，其光电转换效率也偏低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光活性层含有有机/无机杂化结构的太阳能电池，其可以解决上述问题。本专利技术的另一目的在于提供一种该太阳能电池的制备方法。本专利技术的技术方案如下本专利技术提供的一种太阳能电池，具有如下结构在衬底的底表面沉积有起电极作用的导电层，在所述衬底的上表面设有垂直于所述衬底上表面、且由半导体化合物材料构成的纳米柱阵列，在所述纳米柱阵列的间隙中填充有与所述纳米柱等高的光活性材料，在所述纳米柱阵列和光活性材料构成的表面上设置有透明导电电极层，在所述透明导电电极层表面上设有保护电极。所述太阳能电池，其中，所述导电层的厚度为5-15 μ m;所述保护电极呈栅网结构，所述栅网的厚度为5-10 μ m，栅线宽度为30-150 μ m，间距为2_3mm ；所述纳米柱的平均直径为30-1000nm，高度为lOO-lOOOOnm，柱间间距为30_200nm ；所述半导体化合物材料和衬底材料均为元素周期表中III-V族的氮化物基质材料，或者氧化锌基质材料；所述氮化物基质材料为A1N、GaN, InN, AlGaN, InGaN和AlInGaN ；所述氧化锌基质材料为&ι0， In-Zn-0, Al-Zn-0, Ga-Zn-0, Zr-Zn-0, Mg-Zn-O 或 Si-Zn-O ；所述导电层的材质和保护电极的材质均为铝、镁、金、银等及其合金。所述太阳能电池，其中，为填充于纳米柱阵列空隙中的光活性材料，可以为电子给、受体材料的混合物或者为分子内具有电子给体-受体结构的材料，如下电子给体材料可以是噻吩类材料，包括聚合物，如，P3HT、P30T ；小分子或寡聚物,如，DCV5T、V5T、4G1-3S、3G1-1S ；芳香胺类材料，如，TPD、TPA-Th-CN, TCVA ；PPV 类材料， 如，PPV、MEH-PPV, MDMO-PPV ；稠环芳香化合物，如，Tetracene, Pentacene, Pe-Th2 ；酞菁类染料，如，MPc (M为金属离子，如Cu、Zn等)、H2Pc, SubPc (为亚酞菁材料)；电子受体可以是富勒烯及其衍生物，如，PCBM(PC6QBM、PC7tlBM)、ThCBM、PCBB ；PPV类材料,如，CN-Ether-PPV, MEH-CN-PPV ；稠环芳香化合物，如，PTCBI、PTCDA、BBL 等；分子内具有电子给体-受体结构的材料为含咔唑单元和苯并噻二唑单元的材料、 含芴单元和苯并噻二唑单元的材料、含咔唑单元和噻吩并吡嗪单元的材料、含芴单元和噻吩并吡嗪单元的材料、含噻吩单元和吡咯并吡咯单元的材料、含噻吩单元和噻吩并吡嗪单元的材料，如，PCPDTBT、PCDTBT、PDPPBDT 等。所述太阳能电池，其中，所述透明导电电极的材料可以是但不限于导电金属氧化物薄膜、导电高分子材料，优选导电金属氧化物，如，铟锡氧化物(ITO)、氟锡氧化物(FTO) 或者铝锌氧化物(AZO)等，所述透明导电电极的厚度为80-120nm，透过率大于80%。上述结构的太阳能电池，其制备方法包括以下步骤(1)清洗衬底，使衬底表面干净，增大其表面附着力；(2)在上述衬底的背面沉积一定厚度的导电电极，可以但不局限于利用真空蒸镀法、磁控溅射法、化学气相沉积法等方法，在上述衬底的背面沉积一定厚度的金属如铝、镁、 金、银及其合金等，然后在保护气氛(由氮气和/或惰性气体组成的无氧环境)下，进行退火处理，形成欧姆接触的电极；(3)在真空室内，可以但不局限于采用化学气相沉积、诱导耦合等离子体刻蚀、电子束曝光、电子束蒸发、低温真空溅射等方法在上述衬底上制备半导体纳米柱阵列；(4)可以采取真空共蒸镀有机光活性材料的混合物、或者将光活性材料的混合物配成溶液，将其填充到半导体纳米柱阵列形成的空隙内，再进行等离子处理等手段，使有机光活性材料与半导体纳米柱阵列之间形成良好的接触；(5)在上述结构上面制备一层透明导电电极，如透明导电金属氧化物，可以利用真空蒸镀法、磁控溅射法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法等方法，制备一层透明导电金属氧化物薄膜；(6)在上述结构上面制备一层保护电极，如金属栅网电极，可以利用丝网印刷法、 真空蒸镀法等方法，在上述透明导电电极上面制备金属如铝、镁、金、银及其合金栅网电极；(7)将上面的太阳能电池在惰性气体气氛中退火处理，制作完成。本专利技术的太阳能电池具有如下特点首先，太阳能电池的工作区内有两类能够产生电荷分离的界面，即电子给受体材料之间的界面、有机材料与半导体纳米柱之间的界面；由于半导体纳米柱阵列的存在，可以有效地连接电子受体材料形成的局域电子传输网络，为电子的传输提供直接的导通路径， 减少电子的跳跃传输次数和复合几率，提高电子的传输效率；激子分离界面的增加和载流子传输路径的优化，使太阳能电池的短路电流增大，进而提高其光电转换效率。其次，由于所选作制备纳米柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
在所述纳米柱阵列和光活性材料构成的表面上设置有透明导电电极层，在所述透明导电电极层表面上设有保护电极。１．一种太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池具有如下结构：在衬底的底表面沉积有起电极作用的导电层，在所述衬底的上表面设有垂直于所述衬底上表面、且由半导体化合物材料构成的纳米柱阵列，在所述纳米柱阵列的间隙中填充有与所述纳米柱等高的光活性材料，

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周明杰，时朝璞，马文波，
申请(专利权)人：海洋王照明科技股份有限公司，深圳市海洋王照明技术有限公司，
类型：发明
国别省市：94