[发明专利]无机与有机混合太阳能电池

说明书

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；