[发明专利]一种纳米结构的氧化亚铜基PIN结太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种纳米线阵列结构的氧化亚铜基PIN结构的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

目前能源和环境问题仍为亟待解决的全球性问题，太阳能电池技术是开发清洁能源的一个重要领域。理想的太阳能电池材料应综合具备高转换效率、低成本、无污染、无毒性等特点，因此CuO、Cu₂O、ZnO、TiO₂等无机氧化物半导体具有重要的研究价值。Cu₂O本征为P型，禁带宽度2.17ev，在可见光区域有较高的吸收系数，入射光转换效率(IPCE)高达85％，Cu₂O与ZnO、TiO₂、TCO等宽禁带半导体做成异质结，形成TypeII型能带结构，可实现光生载流子的产生和分离，从而得到较高的能量转换效率，理论能量转换效率(PCE)约为18％。

目前关于Cu₂O基太阳能电池的研究中，大部分是双层膜结构或者Cu₂O薄膜与另一种材料的纳米柱薄膜的结合，意大利的MittigaA等(Appl.Phys.Lett.2006，16，3502)报道了采用热氧化法制备Cu₂O薄膜，再用离子束溅射法沉积一层TCO薄膜，得到能量转换效率为2％的太阳能电池；日本的Masanobu Izaki等(J.Phys.D：Appl.Phys.2007，40，3326-3329)与美国的Jingbiao Cui等(J.Phys.Chem.C 2010，114，6408-6412)分别报道了电化学沉积法制备的Cu₂O/ZnO双层膜结构和Cu₂O/ZnO纳米柱结构的太阳能电池，能量转换效率分别为1.28％和0.88％。在上述方法中，太阳能电池转换效率与理论值相差很多，一方面是因为Cu₂O光吸收层中与界面的距离大于扩散长度的部分产生的光生载流子在到达界面之前就会被复合；另一方面，由于两种材料的界面处存在大量界面态，势垒区的宽度很小，产生的光生载流子不能被内建电场充分分离，大部分产生复合，降低了太阳能电池的感光灵敏度，两方面原因使得光生载流子不能有效的分离和收集，使得光电转换效率很低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术不足，提供一种新型纳米结构的氧化亚铜基PIN结太阳能电池，采用了P型氧化亚铜纳米线阵列结构，该结构可以增大结面积，同时大大减小载流子的输运距离；在P型氧化亚铜纳米线阵列和N型层之间加入绝缘层，组成PIN结，PIN结可以增大势垒区宽度。两方面的作用可提高光生载流子的分离和收集，从而有效提高太阳能电池的光电转换效率。

本发明采用的技术方案如下：

一种纳米结构的氧化亚铜基PIN结太阳能电池，其特征在于，包括如下结构：

衬底(1)；

生长在衬底(1)上的P型氧化亚铜纳米线阵列(2)；

沉积在P型氧化亚铜纳米线阵列(2)表面的绝缘层(3)；

填充于绝缘层(3)外的N型层(4)；

生长于N型层(4)上的N型欧姆电极(5)；

生长在P型氧化亚铜纳米线阵列(2)上的P型欧姆电极(6)。

其中，所述的衬底为沉积有180nm～220nm厚的透明导电薄膜ITO或FTO的玻璃衬底；

所述的P型氧化亚铜纳米线阵列中的纳米线直径为50nm～200nm，长度为0.5μm～1.5μm；

所述的绝缘层为电阻率大于10⁴Ω·cm的高阻氧化物半导体，其载流子浓度小于10¹⁵cm^-3；

所述N型层的材料为掺杂的氧化锌，其载流子浓度大于10¹⁹cm^-3；

所述的N型欧姆电极和P型欧姆电极为点状或方形结构。

本发明还提供了该纳米结构的氧化亚铜基PIN结太阳能电池的制备方法，利用电化学沉积法制备P型氧化亚铜纳米线阵列，结合磁控溅射法制成PIN结太阳能电池。

本发明制备该纳米结构的氧化亚铜基PIN结太阳能电池的方法包括如下步骤：

1)清洗衬底；

2)在衬底上生长P型氧化亚铜纳米线阵列；

3)在上述P型氧化亚铜纳米线阵列表面生长绝缘层，并在P型氧化亚铜纳米线阵列表面预留生长电极的面积；

4)在绝缘层外填充掺杂的N型材料并形成薄膜，制作N型层；

5)在N型层上制作N型欧姆电极；