CN102522505A - 无机与有机混合太阳能电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无机与有机混合太阳能电池，主要解决现有太阳电池效率低，成本高的问题。其自下而上为：SiC衬底(1)、AlN缓冲层(2)、无机外延层(3)、阴极(4)、有机聚合物层(5)和阳极(6)。其中，AlN缓冲层(2)厚150-200nm，采用MOCVD生长；阴极(4)是在氮面n-GaN上淀积Ti和Al形成；有机聚合物(5)厚50-80nm，在氮面n-GaN上旋涂形成；阳极(6)是在有机聚合物(5)上淀积Au形成；无机外延层(3)为采用MOCVD生长的厚为2-3μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN，该氮面与阴极(4)的接触面为光滑面，与有机聚合物(5)的接触面为布满凹深为450nm-1.5μm，密度为1.0×10⁷cm^-2-4.0×10⁸cm^-2的绒面。本发明工艺简单、成本低，光电转换效率高，可用于商用和民用的发电系统。

Description

无机与有机混合太阳能电池

技术领域

本发明属于微电子技术领域，特别涉及一种无机与有机物混合太阳能电池。可用于商用和民用的发电系统。

技术背景

现代工业的发展一方面加大了对能源的需求，引发能源危机，另一方面在常规能源的使用中释放出大量二氧化碳气体，导致全球性的“温室效应”。为此，各国力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源，作为一种非常重要的可再生能源。太阳能具有安全可靠、无噪声、无污染，能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人职守，建设周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等优点使得世界各国对利用太阳能发电充满了浓厚的兴趣。

太阳能电池主要由光吸收层、电子传输层、空穴传输层以及阴阳两个电极组成。当太阳光照射在电池的光吸收层上后，光吸收层吸收太阳光子通过光子激发形成电子-空穴对，由于内建电势的作用，激发形成的电子通过电子传输层到达阴极，而空穴通过空穴传输层到达阳极，使阴阳两极形成电势差，即太阳电池的输出电压，从而实现由光能到电能的转换。传统的太阳能电池基本分为无机太阳能电池和有机太阳能电池两种。

无机太阳能电池光吸收层、电子传输层和空穴传输层的材料为无机材料。例如用硅和GaAs制备的太阳能电池因其吸收光谱范围广，载流子迁移率高，扩散长度长，热稳定性高，机械强度大等特点而有较高的光电转换效率，但是这种无机太阳能电池成本高，毒性大，材料来源稀缺，难以大规模应用。

有机太阳电池的光吸收层、电子传输层和空穴传输层均为有机材料。例如以染料敏化电池和有机聚合物为代表的有机太阳能电池具有成本低，加工工艺简单，重量轻，超薄以及柔性、吸收系数高等特点，非常适宜大面积制备和个性化应用；但是这种有机物材料中载流子的迁移率过低比无机材料小3个数量级，激子扩散长度较短为10nm，无法吸收太阳光谱中占了整个能量的60％的红外部分能量，使得有机太阳能电池的光电转换效率较低。为此，人们尝试将无机材料吸收光谱范围广，载流子迁移率高，扩散长度长，热稳定性高，机械强度大等特点与有机物的优点结合起来制备无机-有机混和太阳能电池。

目前研究较多的是基于宽禁带半导体材料ZnO和TiO₂的混合太阳能电池，虽然它们在可见光范围内没有吸收，但是具有较高的电子传输性能、合成工艺简单、成本低廉，毒性低、稳定性好，使用寿命比较长的优点，在无机纳米晶-聚合物太阳能电池领域中具有潜在的应用价值。尤其是TiO₂纳米材料，它可以制备成纳米多孔的连续结构，使得整个有机聚合物能够填充到细孔中间，不仅大大减小了器件的厚度，而且也提高了器件的开路电压和填充因子，除此而外，TiO₂还可以用作光学分隔层，有助于收集更多的电子进而提高器件的效率。

除了TiO₂和ZnO两种宽禁带半导体材料外，还有近年发展起来的氮化镓(GaN)材料，它属于直接带隙半导体，具有禁带宽，载流子迁移率高，热导率高，耐高压，耐高温，抗腐蚀，抗辐射等突出优点；但是，目前制成的混合太阳能电池不仅生产成本高，而且其光电转换效率仍旧较低，其最大的转换效率不足40％。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出无机与有机混合太阳能电池及其制作方法，以提高混合太阳电池的效率，降低成本，扩大其应用范围。

实现本发明目的的技术思路是，利用氮面GaN材料在碱性溶液中易于实现腐蚀区域的特点，通过氮面GaN的表面绒化提高有机大分子聚合物填充度，提高混合太阳电池的性能，其技术方案如下。

本发明的电池，自下而上包括：SiC衬底、AlN缓冲层、无机外延层、阴极、有机聚合物层和阳极，其中外延层采用氮面n-GaN，且与阴极接触的氮面n-GaN表面区域采用光滑面结构，与有机聚合物层接触的氮面n-GaN表面区域采用布满凹陷的绒面结构。

所述凹陷，其密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2，深度为450nm-1.5μm。

制备本发明上述电池结构的方法，包括如下步骤：

(A)在SiC衬底上采用MOCVD方法生长厚度为150-200nm的AlN缓冲层；

(B)在AlN缓冲层上采用MOCVD方法生长厚度为2-3μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延层；

(C)将生长氮面n-GaN外延层后的样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10-15min；

(D)将清洗后的样品放入热蒸发台中，在氮面n-GaN层上依次淀积20nm的Ti和80nm的Al，并在600℃的热退火炉中退火1min，构成阴极；

(E)在烧杯中加入浓度为15％-25％的KOH溶液，用万用加热炉加热至70-90℃，用热偶测温计测温并随时控制万用加热炉，待溶液温度保持平衡3-5min后，将制作阴极后的样品放入KOH溶液中进行表面腐蚀10-20min，与阴极接触的氮面n-GaN表面区域采用光滑面结构，与有机聚合物层接触的氮面n-GaN表面区域采用布满凹陷的绒面结构，该凹陷的密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2、深度为450nm-1.5μm，完成氮面n-GaN外延层的表面绒面化，待样品冷却后用去离子水进行冲洗；

(F)将绒面化后的样品放在甩胶机上，在氮面n-GaN层表面旋涂一层厚度为50-80nm、经过直径450nm过滤器过滤的有机聚合物，以3000-3500rpm转数，旋转50-90s后，再将样品放在120℃下的热板上烘烤10min，使有机膜与绒面化后的氮面n-GaN层形成良好的肖特基接触；

(G)将完成上述制备流程的样品放入热蒸发台中淀积一层厚度为100nm的Au与有机聚合物层形成肖特基接触构成器件的阳极，完成绒面混合太阳能电池的制作。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)本发明将无机材料电子迁移率高的优点与有机材料成本低、工艺简单的优点结合起来制作成具有肖特基接触的混合太阳电池，有效的降低了制作太阳电池的成本，提高了现有混合太阳电池的效率。具体来说，本发明选用氮面n-GaN作为无机的电子传输层，其电子迁移率比ZnO、TiO₂更高，电子的寿命更长，阴极收集的电子更多，使电池的短路电流更大；有机材料采用高导电性，高透光率，高功函数的有机聚合物太阳能电池，不仅载流子收集率高，而且制作工艺简单、成本低廉。

2)本发明由于与有机聚合物接触的氮面n-GaN表面采用布满凹陷的绒面结构，相对于现有混合太阳电池中光滑的接触面，这种绒面一方面使氮面GaN层与有机物的接触面积增加，使光的吸收面积增加，从而提高光的利用率，另一方面有效减少了界面对太阳光的反射，提高了界面对光的吸收，使光激发载流子的效率提高，太阳电池的外量子效率提高，太阳电池的光电转换效率也随之提高。

3)相对于镓面GaN要用高温熔融状态的KOH腐蚀，本发明采用的氮面GaN在KOH稀释溶液中即可实现腐蚀，腐蚀时间和温度易于控制、腐蚀区域宽深比大，不仅容易实现表面绒化而且有利于有机聚合物的充分填充，提高太阳能电池的性能。

附图说明

图1是本发明无机与有机混合太阳电池的结构图；

图2是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明的电池结构，自下而上包括：SiC衬底1、AlN缓冲层2、无机外延层3、阴极4、有机聚合物5和阳极6。其中，AlN缓冲层2采用MOCVD方法生长，厚度为150-200nm；无机外延层3为氮面n-GaN，采用MOCVD方法生长，厚度为2-3μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3，与阴极4接触的氮面n-GaN表面区域采用光滑面结构，与有机聚合物层5接触的氮面n-GaN表面区域采用布满凹陷的绒面结构，其凹陷的密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2，深度为450nm-1.5μm；阴极4是在氮面n-GaN层上依次淀积20nm的Ti和80nm的Al形成；有机聚合物5是经过直径为450nm过滤器过滤，在制作阴极后的氮面n-GaN表面旋涂而成，厚度为50-80nm；阳极6是在有机聚合物层上淀积的100nm的Au。

参照图2，制作本发明电池给出如下三种实施例：

实施例1，包括如下步骤：

第一步，在温度为1050℃，NH₃为3500sccm，TMAl为30sccm，时间为30min的工艺条件下，采用MOCVD方法在SiC衬底上生长厚度为150nm的AlN缓冲层。

第二步，在温度为1020℃，NH₃为5000sccm，TEGa为220sccm，时间为2.5小时的工艺条件下，采用MOCVD方法在AlN缓冲层上生长厚度为2.5μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延层。

第三步，将生长氮面n-GaN外延层后的样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10min。

第四步，将清洗后的样品放入热蒸发台中，在氮面n-GaN层上依次淀积20nm的Ti和80nm的Al，并在600℃的热退火炉中退火1min，构成阴极。

第五步，在烧杯中加入配好的浓度为15％的KOH溶液，用万用加热炉加热至80℃，用热偶测温计测温并随时控制万用加热炉，待溶液温度保持平衡5min后，将制作阴极后的样品放入上述浓度为15％的KOH溶液中进行表面腐蚀20min，由于制作阴极的金属Ti、Al不溶于上述溶液，与阴极接触的氮面n-GaN表面区域为光滑面结构，与有机聚合物层接触的氮面n-GaN表面区域，由于没有掩盖被浓度为15％的KOH溶液腐蚀后形成布满凹陷的绒面结构，该凹陷密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2、深度为450-800nm，待样品冷却后用去离子水进行冲洗。

第六步，将有机聚合物PANI溶液用直径为450nm过滤器过滤，再将退火后的样品放在甩胶机上，用尖嘴吸管把过滤过的PANI溶液均匀的滴满整个氮面n-GaN层表面，然后以3300rpm转数，旋转70s，形成厚度为50nm的PANI有机膜，再将样品放在120℃下的热板上烘烤10min以去除有机溶剂，使有机膜与绒面化后的氮面n-GaN层形成良好的肖特基接触。

第七步，将完成上述制备流程的样品放入热蒸发台中，在有机聚合物PANI上淀积一层厚度为100nm的Au与有机聚合物层形成肖特基接触构成器件的阳极，完成绒面混合太阳能电池的制作。

实施例2，包括如下步骤：

第1步，采用MOCVD方法，以温度为1050℃，NH₃为3500sccm，TMAl为30sccm，时间为30min的工艺条件，在SiC衬底上生长厚度为150nm的AlN缓冲层。

第2步，采用MOCVD方法，以温度为1020℃，NH₃为5000sccm，TEGa为220sccm，时间为2小时的工艺条件，在AlN缓冲层上生长厚度为2μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延层。

第3步，将生长氮面n-GaN外延层后的样品依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗15min；

第4步，将清洗后的样品放入热蒸发台中，在氮面n-GaN层上依次淀积20nm的Ti和80nm的Al，并在600℃的热退火炉中退火1min，构成阴极。

第5步，在烧杯中加入浓度为20％的KOH溶液，用万用加热炉加热至85℃，用热偶测温计测温并随时控制万用加热炉，待溶液温度保持平衡5min后，将制作阴极后的样品放入KOH溶液中进行表面腐蚀15min，由于制作阴极的金属Ti、Al不溶于上述溶液，与阴极接触的氮面n-GaN表面区域为光滑面结构，与有机聚合物层接触的氮面n-GaN表面区域，由于没有掩盖被浓度为20％的KOH溶液腐蚀后形成布满凹陷的绒面结构，该凹陷密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2、深度为0.6-1.1μm，待样品冷却后用去离子水进行冲洗。

第6步，将有机聚合物PANI溶液用直径为450nm过滤器过滤，再将退火后的样品放在甩胶机上，用尖嘴吸管把过滤过的PANI溶液均匀的滴满整个氮面n-GaN层表面，以3000rpm转数，旋转60s后形成厚度为60nm的PANI有机膜，再将样品放在120℃下的热板上烘烤10min，使有机膜与绒面化后的氮面n-GaN层形成良好的肖特基接触；

第7步，将完成上述制备流程的样品放入热蒸发台中，在有机聚合物PANI上淀积一层厚度为100nm的Au，与有机聚合物层形成肖特基接触构成器件的阳极，完成绒面混合太阳能电池的制作。

实施例3，包括如下步骤：

第A步，在SiC衬底上采用MOCVD方法生长厚度为200nm的AlN缓冲层，其工艺条件是：温度为1050℃，NH₃为3500sccm，TMAl为30sccm，时间为40min。

第B步，在AlN缓冲层上采用MOCVD方法生长厚度为3μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延层，：其工艺条件是：温度为1020℃，NH³为5000sccm，TEGa为220sccm，时间为3小时。

第C步，将生长氮面n-GaN外延层后的样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10min。

第D步，将清洗后的样品放入热蒸发台中，在氮面n-GaN层上依次淀积20nm的Ti和80nm的Al，并在600℃的热退火炉中退火1min，构成阴极。

第E步，在烧杯中加入浓度为25％的KOH溶液，用万用加热炉加热至90℃，用热偶测温计测温并随时控制万用加热炉，待溶液温度保持平衡3-5min后，将制作阴极后的样品放入KOH溶液中进行表面腐蚀20min，由于制作阴极的金属Ti、Al不溶于上述溶液，与阴极接触的氮面n-GaN表面区域为光滑面结构，与有机聚合物层接触的氮面n-GaN表面区域，由于没有掩盖被浓度为25％的KOH溶液腐蚀后形成布满凹陷的绒面结构，该凹陷密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2、深度为0.9-1.5μm，待样品冷却后用去离子水进行冲洗。

第F步，将有机聚合物PEDOT:PSS溶液用直径为450nm过滤器过滤，再将退火后的样品放在甩胶机上，用尖嘴吸管把过滤过的PEDOT:PSS溶液均匀的滴满整个氮面n-GaN层表面，以2500rpm的转数，旋转80s后形成厚度为80nm的PEDOT:PSS有机膜，再将样品放在120℃下的热板上烘烤10min，使有机膜与绒面化后的氮面n-GaN层形成良好的肖特基接触。

第G步，将完成上述制备流程的样品放入热蒸发台中，在有机聚合物PEDOT:PSS表面淀积一层厚度为100nm的Au，与有机聚合物层形成肖特基接触构成器件的阳极，完成绒面混合太阳能电池的制作。

Claims (5)

1.一种有机与无机混合太阳能电池，自下而上包括：SiC衬底(1)、AlN缓冲层(2)、无机外延层(3)、阴极(4)、有机聚合物层(5)和阳极(6)，其特征在于无机外延层(3)采用氮面n-GaN，且与阴极(4)接触的氮面n-GaN表面区域采用光滑面结构，与有机聚合物层(5)接触的氮面n-GaN表面区域采用布满凹陷的绒面结构。

2.根据权利要求书1所述的有机与无机混合太阳能电池，其特征在于所述凹陷的密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2，深度为450nm-1.5μm。

3.一种有机与无机混合太阳能电池的制作方法，包括如下步骤：

(A)在SiC衬底上采用MOCVD方法生长厚度为150-200nm的AlN缓冲层；

(B)在AlN缓冲层上采用MOCVD方法生长厚度为2-3μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延层；

(C)将生长氮面n-GaN外延层后的样品材料依次放入丙酮、无水乙醇中分别超声清洗3min，重复2次后用去离子水超声清洗10-15min；

(D)将清洗后的样品放入热蒸发台中，在氮面n-GaN层上依次淀积20nm的Ti和80nm的Al，并在600℃的热退火炉中退火1min，构成阴极；

(E)在烧杯中加入浓度为15％-25％的KOH溶液，用万用加热炉加热至70-90℃，用热偶测温计测温并随时控制万用加热炉，待溶液温度保持平衡3-5min后，将制作阴极后的样品放入KOH溶液中进行表面腐蚀10-20min，在与阴极接触的氮面n-GaN表面区域形成光滑面，在与有机聚合物层接触的氮面n-GaN表面区域形成布满凹陷的绒面，该凹陷的密度为1×10⁷cm^-2-4×10⁸cm^-2、深度为450nm-1.5μm，待样品冷却后用去离子水进行冲洗；

(F)将绒面化后的样品放在甩胶机上，在氮面n-GaN层表面旋涂一层厚度为50-80nm、经过直径450nm过滤器过滤的有机聚合物，以3000-3500rpm转数，旋转50-90s后，再将样品放在120℃下的热板上烘烤10min，使有机膜与绒面化后的氮面n-GaN层形成良好的肖特基接触；

(G)将完成上述制备流程的样品放入热蒸发台中淀积一层厚度为100nm的Au与有机聚合物层形成肖特基接触构成器件的阳极，完成绒面混合太阳能电池的制作。

4.根据权利要求3所述的混合太阳能电池的制作方法，其中步骤(1)所述的采用MOCVD方法生长厚度为150-200nm的AlN缓冲层，是在温度为1050℃，NH₃为3500sccm，TMAl为30sccm，时间为30-40min的工艺条件下进行。

5.根据权利要求3所述的混合太阳能电池的制作方法，其中步骤(2)所述的采用MOCVD方法生长厚度为2-3μm、电子浓度为1.0×10¹⁷cm^-3-2.0×10¹⁸cm^-3的氮面n-GaN外延层，是在温度为1020℃，NH₃为5000sccm，TEGa为220sccm，时间为2-3小时的工艺条件下进行。

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