[发明专利]制备ZnO/Cu2O异质结材料及ZnO/Cu2O三维结构异质结太阳电池的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制备ZnO/Cu₂O三维结构异质结材料的方法及以该材料制备太阳电池的方法，特别涉及在一种（002）取向的n型ZnO的半导体纳米棒阵列中采用电化学沉积技术填充p型Cu₂O半导体制备ZnO/Cu₂O三维结构异质结材料及电池器件的方法，属于半导体器件和新能源技术领域。 

背景技术

Cu₂O是一种很早就被发现的半导体材料，少有的能被可见光激发的半导体材料，其禁带宽度约为2.17eV，可被波长为800~400nm的可见光激发，此外Cu₂O无毒，储量丰富，制备成本低，理论利用效率高，在电极材料，催化领域，电子器件和气敏元件等方面具有重要的应用。研究制备低成本的Cu₂O基太阳能电池对替代高成本电池，实现太阳能电池的大规模民用化具有重要意义。通过界面结构梳状化，制备三维结构异质结太阳能电池，可以有效增加异质结界面面积，这样在增加吸光深度的同时可以缩短光生载流子的收集长度，降低光生载流子的复合几率，有利于提高电池效率。由于固体无机p型半导体材料在填充过程中受到与复杂几何结构有关的阴影效应的制约往往无法在纳米结构表面保形覆盖或很难实现其在纳米多孔中致密化填充，因此，探索一种在取向阵列中充分填充无机固体p型半导体的技术制备三维异质结电池是提高电池技术的关键。电化学沉积法是一种填充多孔材料的有效方法。Cui Jinbao小组在《物理化学杂志》上 “A Simple Two-Step Electrodeposition of Cu₂O/ZnO Nanopillar Solar Cells”（J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 6408-6412.）一文中采用两步电化学沉积法制备出ZnO/Cu₂O三维结构异质结电池；H. C. Hesse小组在《先进能源材料》上“Strong efficient improvements in ultra-low-cost inorganic nanowire solar cells”(Advanced Energy Materials,2010, 25, E1-E5.）一文中同样采用两步电化学沉积法制备出了ZnO/Cu₂O三维结构异质结电池。 

目前文献中报道的这类三维异质结电池的电化学沉积方法存在的主要问题是Cu₂O在ZnO纳米棒中填充时均为单步电化学沉积，由于受到物质扩散传输的限制，最大的填充深度在1-1.5um，而实现完全吸光的Cu₂O的厚度大于4um。因此，目前报道的电池有很大部分厚度在棒的顶端。Cu₂O电阻较高且光生载流子收集长度较短，棒顶端Cu₂O吸收光子产生的载流子无法充分传输和分离。另外，Cu₂O在纳米棒间的填充不是沿着纳米棒方向自下而上填充，致密度较小，界面缺陷较多。这些问题都限制了电池效率。 

发明内容

针对现有制备ZnO/Cu2O异质结中填充Cu2O存在的不足，提供了一种制备ZnO/Cu2O异质结材料的方法，该方法采用两步电化学沉积法将Cu2O填充到ZnO纳米棒阵列中，所得Cu2O半导体薄膜的填充深度和致密度增加，界面缺陷减少。 

本发明还提供了采用该ZnO/Cu2O异质结材料制备太阳电池的方法，采用本方法制得的电池比现有ZnO/Cu2O异质结电池电池效率高。 

针对目前存在的问题，本发明提供了一种在ZnO纳米棒阵列中填充Cu2O的电化学沉积技术，该技术将沉积Cu2O的过程分为两步，先在低温低活性溶液中在ZnO纳米棒表面保形沉积Cu2O种子层，然后在高温高活性溶液中实现种子自下而上生长，形成高结晶质量和高致密度的Cu2O薄膜，致密化填充ZnO纳米棒阵列,克服了现有Cu2O填充薄膜存在的弊端。 

下面，具体阐述本发明的技术方案： 

一种ZnO/Cu₂O异质结材料的制备方法，该异质结材料包括基底、液相生长在基底上的n型ZnO纳米棒阵列薄膜和采用沉积法填充在ZnO纳米棒中的Cu₂O薄膜，其特征是，Cu₂O薄膜的填充过程包括以下步骤：