[发明专利]一种纳米有序互穿全氧化物异质结薄膜太阳电池及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米有序互穿全氧化物异质结薄膜太阳电池及其制备方法，利用垂直生长于FTO衬基上的CuO纳米棒阵列作为光子吸收材料和空穴传输材料，TiO₂纳米晶体薄膜为电子传输材料，制备了CuO/TiO₂纳米有序互穿异质结，并制成以FTO为阴极和Al膜为阳极的太阳电池。发现CuO/TiO₂纳米有序互穿异质结太阳电池的开路电压达到0.41V、短路电流密度为7.81uA/cm²；与CuO/TiO₂双层平面异质结太阳电池相比，CuO/TiO₂纳米有序互穿异质结的路电压提高了1.78倍，短路电流密度增加了16.27倍。

技术领域：

本发明涉及纳米半导体材料和新能源领域，确切地说是一种新型薄膜太阳电池及其制备方法。

背景技术：

能源与环境问题是当前人类面临的两个最紧迫需要解决的问题，低碳经济是当今最热门话题。太阳能是取之不尽，用之不竭的绿色能源，将太阳能转换成电能的光伏电池是解决能源和环境问题、发展低碳经济的途径之一。和块体材料相比，低维纳米棒阵列材料在太阳能光电转换方面具有独特的优势，比如，增加了载流子的收集效率，拓宽了光子吸收的比表面积【Nano Energy，2017，215-222】。然而，常见的半导体材料(ZnO、TiO₂等)纳米棒阵列，其禁带宽度很大(大于3eV)【Adv.Energy Mater.，2017，1602803】，这极大限制了对太阳光谱中对可见光的吸收，从而导致较低的太阳能光电转换效率。所以发展高效纳米线阵列型的光子吸收材料是太阳电池发展的重要方向之一【Adv.Mater.2010，22，E254；J.Am.Chem.Soc，2009，131，3756】。

CuO是一种环境友好的窄带隙(1.2-1.5eV)半导体材料，被应用到光电导、光催化、气敏传感器、太阳电池等领域【Chem.Mater.，2017，29，1735–1743】。目前，阵列型CuO纳米线在太阳电池中的应用并不多见，并且大都是通过对Cu铂进行热氧化法得到CuO纳米线阵列。例如，Wang等首先对Cu铂进行热氧化后制备出CuO纳米线阵列，然后在其表面滴涂醋酸锌后进行退火得到阵列型CuO/ZnO异质结【Optics Express，2011，19，11271】。Anandan等将Cu片进行热氧化后制备出的CuO纳米线阵列用于染料敏化太阳电池的对电极【MaterialsChemistry and Physics，2005，93，35】。然而Cu片基底不能作为光窗口来吸收光子，从而限制了其制备的CuO阵列在太阳电池中的应用。Liu等通过两步法在导电玻璃上生长出了CuO纳米棒阵列【Journal of Alloys and Compounds，2012，511,195】，首先，他们通过简单的滴涂法将醋酸铜溶液滴涂在导电玻璃上，然后退火形成CuO籽晶层，接着利用水热法在CuO籽晶层上生长出CuO纳米棒阵列，但是利用水热法在透明导电玻璃上生长出的CuO纳米棒阵列来制备CuO/TiO₂纳米有序互穿异质结薄膜太阳电池也还未见报道。

本发明中，我们在FTO导电玻璃上通过多次旋涂醋酸铜溶液然后退火形成CuO籽晶层，该方法得到的CuO籽晶层比他人的滴涂法【Journal of Alloys and Compounds，2012，511,195】更加均匀和致密。然后我们利用水热法在籽晶层上生长出CuO纳米棒阵列，接着在CuO纳米棒阵列上旋涂TiO₂溶胶-凝胶溶液得到纳米互穿CuO/TiO₂全氧化物异质结薄膜，最后在TiO₂上方蒸镀LiF作为阳极修饰层和金属银作为阳极得到太阳电池。

发明内容：

本发明目的是为了弥补已有技术的缺陷，将空气中稳定的CuO纳米棒阵列应用到新型固态全氧化物异质结薄膜太阳电池中，提供一种成本较低，可以在空气中制备，环境友好、工艺简单，且便于大面积制作的电池及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：