專利名稱：一種基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多晶鎵砷薄膜的生長及有機(jī)鎵砷復(fù)合太陽能電池的 制備。
背景技術(shù)：
人類社會進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源短缺問題日益嚴(yán)重，由于化石能源 儲量有限且容易造成環(huán)境污染，開發(fā)新型能源技術(shù)顯得日趨緊迫，事關(guān)國 計民生。在自然界中，太陽能取之不盡、用之不絕，是一種無公害的可再 生能源，發(fā)展太陽能利用技術(shù)成為各國的研究重點。目前，太陽能電池產(chǎn) 業(yè)仍然以晶體硅太陽能電池為主，大約占全部光伏電池的90%，其中多晶 硅電池占2/3。然而，目前全球的太陽能級多晶硅產(chǎn)量僅為2萬t，遠(yuǎn)低于 市場的需求。預(yù)計，到2008年以前，太陽能級多晶硅仍將處于供不應(yīng)求 的狀態(tài)。為了適應(yīng)太陽能電池高效率、低成本、規(guī)?；l(fā)展的宗旨，最有 效的辦法就是不采用由硅原料、硅錠、硅片到電池的工藝路線，而直接由 原材料到電池的工藝，即發(fā)展薄膜太陽能電池技術(shù)。目前比較成功的薄膜 太陽能電池技術(shù)主要有非晶硅薄膜電池、多晶硅薄膜電池、銅銦硒電池和 碲化鎘電池。碲化鎘薄膜太陽電池較其他的薄膜電池容易制造，是應(yīng)用前 景最好的新型太陽電池，因而它向商品化進(jìn)展最快。但是劇毒元素Cd對 環(huán)境的污染是不容忽視的。
同硅相比，GaAs材料具有穩(wěn)定性高、吸光系數(shù)大、光致發(fā)光效率低、 禁帶寬度與太陽光譜相匹配等特點，另外，As的毒性相對于Cd來說，大 大降低。高效GaAs太陽能電池030%)已被應(yīng)用于外空間環(huán)境，但是 進(jìn)一步推廣和應(yīng)用GaAs太陽能電池必須大幅度降低制造成本。在廉價襯 底上制備多晶GaAs薄膜太陽能電池可以降低成本。
低成本的有機(jī)半導(dǎo)體材料與穩(wěn)定的無機(jī)半導(dǎo)體襯底結(jié)合組成的異質(zhì) 結(jié)太陽能電池是將來光伏應(yīng)用的一大前景。有關(guān)無機(jī)襯底(例如InP、GaAs、Si等)和有機(jī)半導(dǎo)體薄膜或?qū)щ娋酆衔锝M成的異質(zhì)結(jié)太陽能電池的的研究 已多有報道。有機(jī)半導(dǎo)體分子可以和無機(jī)材料襯底進(jìn)行很好的物理結(jié)合， 單晶襯底對一些結(jié)構(gòu)規(guī)整的有機(jī)半導(dǎo)體小分子有一定的外延取向作用，可
以形成結(jié)晶薄膜。2002年，J. Ackermann等人蒸發(fā)p型有機(jī)半導(dǎo)體材料 四噻吩(quaterthiophene) p-4T在n-GaAs襯底上組成了異質(zhì)結(jié)太陽能電 池，電池的幵路光電壓Voc和短路光電流Jsc分別達(dá)到了 600 mV和1. 4 mA/ cm2，獲得了 1.6%的轉(zhuǎn)化效率。2005年，他們用更高空穴遷移率的八噻吩 (octirthiophene) p-8T代替4T與n-GaAs組成的電池n-GaAs /p-8T /Au 獲得了開路電壓631mV，短路電流密度3.8mA/ cm2，填充因子0. 70，總 能量轉(zhuǎn)換效率4.2%。雖然，電池取得了不錯的轉(zhuǎn)化效率，但是這個電池 的最大缺點是使用單晶n-GaAs，單晶片易脆，生長成本高(襯底等)，難 于實現(xiàn)大面積，這些都限制了它的實際應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用分子束外延(MBE)技術(shù)在透明襯底上(ITO玻璃、石英 片等)生長GaAs多晶薄膜，并將其與有機(jī)半導(dǎo)體薄膜結(jié)合起來，制備新 型的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合光電轉(zhuǎn)換薄膜材料。
本發(fā)明提出的基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電池，其特征 在于，由以下部分組成
一沉積在玻璃襯底上的透明陽極(101);
一沉積在陽極上的多晶鎵砷薄膜(102);
一沉積在多晶鎵砷薄膜層上的有機(jī)電子受體層(103);
一沉積在有機(jī)電子受體層上的電子阻擋層(104);
一沉積在電子阻擋層上的陰極(105)。
進(jìn)一步，所述透明陽極(101)是氧化銦錫(ITO)玻璃或者摻氟氧化 錫(FTO)玻璃。
進(jìn)一步，所述襯底溫度在200 40(TC之間。 進(jìn)一步，所述鎵砷薄膜(102)為無定型或多晶的鎵砷薄膜。 進(jìn)一步，所述鎵砷薄膜(102)的厚度在100納米到1微米之間。 進(jìn)一步，所述透明陽極(101)采用二氧化鈦納米晶、氧化鋅納米晶進(jìn)行修飾以增加襯底與鎵砷薄膜的接觸。
進(jìn)一步，所述有機(jī)電子受體層(103)為以下任一材料 富勒希C60及其衍生物、
iV,W-2-二苯基-3，4，9, 10-菲四羧基二酰亞胺(PTCBI)、 3,4，9, 10-芘四甲酸二酐(PTCDA)
進(jìn)一步，所述有機(jī)電子阻擋層(104)為以下材料中的一種
2，9-二甲基-4,7-二苯-9，10-菲羅啉(BCP);
8-羥基喹啉鋁(Alq3);
噁二唑(OXD)衍生物。
進(jìn)一步，所述陰極(105)為銀或鋁或鉑。
本發(fā)明提出的有機(jī)/無機(jī)復(fù)合薄膜材料應(yīng)用于太陽能電池中，把GaAs 材料的穩(wěn)定性高、光電性能優(yōu)異等特點和有機(jī)半導(dǎo)體材料的加工簡單、選 材廣泛等特點相結(jié)合，研發(fā)成本低廉、大面積、具備市場競爭性能的太陽 能利用技術(shù)。


圖la為一種基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電池結(jié)構(gòu)圖； 圖lb為基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電池工作原理圖； 圖2為此電池氧化銦錫玻璃(ITO)/鎵砷(GaAs) 100納米/碳60(C60 )
50納米/鋁(Al) 100納米的光電性能。
具體實施例方式
下面將用實例將對本發(fā)明進(jìn)行具體描述，但是本發(fā)明并不僅僅局限于 所列舉的實例。
本發(fā)明所涉及的是一種基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電 池。例如，這樣的一個有機(jī)-無機(jī)復(fù)合太陽能結(jié)構(gòu)可以由一個導(dǎo)電透明陽極 101、無機(jī)電子給體層和吸光層102，有機(jī)電子受體層103、電子阻擋層104、 陰極105組成。在本發(fā)明中，陽極101通常氧化銦錫ITO或者摻氟氧化錫FTO玻璃。 在本發(fā)明中，無機(jī)電子給體層和吸光層102主要是多晶鎵砷薄膜、可 以通過控制摻雜元素和摻雜濃度制備？+-鎵砷薄膜。鎵砷材料表面可能存 在一些缺陷，影響有機(jī)一無機(jī)間的相互作用。因此，可以通過表面處理進(jìn) 一步改善界面性質(zhì)，可以選擇的有機(jī)材料為4,4，,4"-三{ N,- (3-甲基苯 基)-N-苯胺)-三苯胺(m-MTDATA)、酞氰銅(CuPc)、聚-N-乙烯基咔唑 (PVK)、聚(3， 4-二氧乙基噻吩)聚(對苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)
在本發(fā)明中，有機(jī)電子受體層103材料是指那些與無機(jī)半導(dǎo)體接觸緊 密，在可見光區(qū)有好的光吸收，有穩(wěn)定也即是長壽命的激發(fā)態(tài)存在，具備 較高載流子遷移率的有機(jī)分子材料?？梢詾楦焕障60及其衍生物、N,N '-2-二苯基-3,4，9, 10-茈四羧基二酰亞胺(PTCBI)、 3,4， 9， 10-茈四甲酸 二酐(PTCDA)。
在本發(fā)明中，有機(jī)電子阻擋層104材料應(yīng)該具有較強(qiáng)的電子傳輸能力， 而且LUMO能級比較接近通常使用陰極材料的功函。在本發(fā)明中，能夠 用作有機(jī)電子阻擋層的材料可以為2,9-二甲基-4,7-二苯-9,10-菲羅啉 (BCP)、 8-羥基喹啉鋁(Alq3)、 噁二唑(OXD)衍生物。
在本發(fā)明中，陰極可以為銀、鋁、金、鉑。
本發(fā)明的特點和優(yōu)勢
1、 生長襯底為ITO玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃，價格低廉。且玻璃可以進(jìn) 行各類修飾(Ti02二氧化鈦等寬禁帶半導(dǎo)體納米晶)
2、 鎵砷GaAs薄膜的厚度在100納米-1微米之間需要給出一個數(shù)值范 圍，而不能使用"100nm左右"，耗材少。
3、 有機(jī)半導(dǎo)體薄膜既可以旋涂也可以蒸鍍，加工方便。
4、 有機(jī)/多晶鎵砷GaAs薄膜界面有利于空穴和電子分離。
5、 由于鎵砷GaAs薄膜較薄，部分光子將被有機(jī)薄膜吸收，這樣有機(jī) /鎵砷GaAs界面將成為實現(xiàn)空穴和電子有效分離的一個重要場所。
我們制備了一種本發(fā)明涉及的薄膜電池，氧化銦錫玻璃(ITO) /鎵砷 (GaAs) 100納米/碳60 (C60 ) 50納米/鋁(Al) 100納米。圖la給 出了此電池的結(jié)構(gòu)示意圖，圖lb所示為此電池的工作原理圖。模擬太陽能光源(能量為100毫瓦/平方米)從氧化銦錫玻璃101方向照射電池，首
先被多晶鎵砷薄膜102吸收，在鎵砷和碳60 103界面產(chǎn)生電子-空穴對，、 由于鎵砷的導(dǎo)帶與有機(jī)電子受體碳60的最低未占軌道LUMO之間的能級 差，電子很容易流向碳60的最低未占軌道LUMO，到達(dá)金屬電極105， 形成有效的回路，從而產(chǎn)生光電流。
圖2給出了此電池的光電性能，電池的暗電流和開路電壓分別是3.73 微安和9.07毫伏，效率是0.0015%。這是世界是第一只制作在玻璃襯底上 基于多晶GaAs與有機(jī)半導(dǎo)體材料相結(jié)合的復(fù)合太陽能電池。
至此已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。應(yīng)該理解，本領(lǐng)域技 術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精祌和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種其它的改 變、替換和添加。因此，本發(fā)明的范圍不局限于上述特定實施例，而應(yīng)由 所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1. 一種基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電池，其特征在于，由以下部分組成一沉積在玻璃襯底上的透明陽極(101)；一沉積在陽極上的多晶鎵砷薄膜(102)；一沉積在多晶鎵砷薄膜層上的有機(jī)電子受體層(103)；一沉積在有機(jī)電子受體層上的電子阻擋層(104)；一沉積在電子阻擋層上的陰極(105)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述透明陽極(101) 是氧化銦錫(ITO)玻璃或者摻氟氧化錫(FTO)玻璃。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述襯底溫度 在200 40(TC之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述鎵砷薄膜(102) 為無定型或多晶的鎵砷薄膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求]所述的太陽能電池，其特征在于，所述鎵砷薄膜 (102)的厚度在100納米到1微米之間。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述透明陽極 (101)采用二氧化鈦納米晶、氧化鋅納米晶進(jìn)行修飾以增加襯底與鎵砷薄膜的接觸。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述有機(jī)電子 受體層(103)為以下任一材料富勒希C60及其衍生物、AT,7V'-2-二苯基-3，4,9， 10-茈四羧基二酰亞胺(PTCBI)、 3,4,9， 10-茈四甲酸二酐(PTCDA)
8. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述有機(jī)電子 阻擋層(104)為以下材料中的一種2,9-二甲基-4，7-二苯-9,10-菲羅啉(BCP); 8-羥基喹啉鋁(Alq3);噁二唑(OXD)衍生物。
9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的太陽能電池，其特征在于，所述陰極(]05)為銀或鋁或鉑。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于多晶鎵砷薄膜的有機(jī)無機(jī)復(fù)合太陽能電池。包括一沉積在玻璃襯底上的透明陽極(101)；一沉積在陽極上的多晶鎵砷薄膜(102)；一沉積在多晶鎵砷薄膜層上的有機(jī)電子受體層(103)；一沉積在有機(jī)電子受體層上的電子阻擋層(104)；一沉積在電子阻擋層上的陰極(105)。本發(fā)明將多晶鎵砷薄膜和有機(jī)半導(dǎo)體薄膜相結(jié)合是一種可行的開發(fā)低成本鎵砷太陽能電池的手段。
文檔編號H01L51/42GK101471424SQ200710304209
公開日2009年7月1日 申請日期2007年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月26日
發(fā)明者敏 關(guān), 曹國華, 曹峻松, 曾一平, 李晉閩, 秦大山 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所