[发明专利]铜铁矿铜透明P型半导体的制造方法及应用

说明书

发明领域

本发明涉及透明P型半导体材料，更具体而言，本发明涉及制造铜铁矿铜(copper delafossite)透明P型半导体材料的方法及包含所述铜铁矿铜材料的器件，所述器件包括太阳能电池及透明薄膜晶体管。

发明背景

透明导电氧化物(TCOs)，如，掺杂的氧化锌、氧化铟锡(ITO)及氧化铟钼被广泛地用作光学透明的导电电极。这些氧化物在可见光谱中呈现出高导电性及光学透明性。然而，这些氧化物全部都表征为n型材料，且因此这些氧化物的使用受到限制。为了将TCOs的使用扩展至诸如太阳能电池、透明晶体管、透明发光二极管(LEDs)、紫外线(UV)检测器等的应用，需要与现存n型TCOs兼容的光学透明导电P型材料。也需要可并入具有低成本基板的器件中的透明P型半导体材料，所述低成本基板可能限制工艺温度。此外，需要用于形成这些材料的方法和设备。

近年来，染料敏化太阳能电池(DSSCs)作为常规太阳能电池的成本有效替代物已经受到极大关注。DSSCs以诸多方面与光合作用类似的工艺工作，绿色植物通过该光合作用自阳光产生化学能。这些电池的中心为厚半导体纳米粒子膜(电极)，所述膜为捕获光的有机染料分子的吸附提供大表面积。染料分子吸收电磁光谱的可见光区中的光，且随后将电子“注入”纳米结构化的半导体电极中。此工艺伴随有电荷自电解质所供应的电子供体介体向染料的转移，进而重设循环。基于液体电解质的DSSCs在AM 1.5(1000W m^-2)太阳照射下达到高达11％的效率。然而，这些DSSCs的主要问题在于液体电解质自电池的蒸发以及可能的渗漏。这限制了这些电池的稳定性，且也造成DSSC技术在实际应用中按比例扩大的严重问题。

目前，将极大努力集中在通过以诸如熔盐、有机空穴传输材料及聚合物电解质的固体电解质替代液体电解质来制造固态DSSCs(SS-DSSCs)。然而，SS-DSSCs中大多数遭受短路及离子的大量传输限制的问题，且因此SS-DSSCs与液体版本相比具有低转换效率。需要：用于制造稳定、高效率SS-DSSCs的固体电解质材料；用于制造所述固体电解质材料的处理工具；包含所述固体电解质材料的SS-DSSCs的新设计；以及用于制造所述材料及所述SS-DSSCs的可制造方法。

发明内容

本发明的实施例包括用于制造铜铁矿Cu材料的方法、用于所述制造的设备、包括所述材料的器件及制造所述器件的方法。

本发明的某些实施例是用于制造铜铁矿Cu材料的工艺，所述工艺包括：一合成CuBO₂材料的低温溶胶-凝胶工艺；一通过控制粒径来控制CuBO₂材料的带隙的工艺；一制造能够穿透一染色多孔TiO₂网的CuBO₂超细粉末的工艺；一形成TiO₂-CuBO₂“核心-壳”纳米粒子的工艺；一形成TiO₂-CuBO₂“纳米耦合”的工艺；及一形成CuBO₂薄膜的工艺，如脉冲激光沉积(PLD)。例如，根据本发明一些实施例，在基板上制造铜硼氧化物薄膜的方法包括：通过低温溶胶-凝胶工艺生产铜硼氧化物粉末；压缩所述铜硼氧化物粉末以形成靶材；以及使用所述靶材用薄膜沉积工具在基板上形成铜硼氧化物薄膜，所述薄膜沉积工具例如脉冲激光沉积工具。

本发明的某些实施例是用于制造CuBO₂材料的设备，所述设备包括一纳米粉末生产系统。

本发明的某些实施例是包含铜铁矿Cu材料的器件，所述器件包括：一包括CuBO₂薄膜作为通道层的透明薄膜晶体管；包含薄膜CuBO₂作为p层的p-i-n及p-n太阳能电池；以及包含呈各种形式的CuBO₂的固态染料敏化太阳能电池(SS-DSSCs)，所述形式包括“核心-壳”及“纳米耦合”粒子。在本发明的一些实施例中，SS-DSSC包括：具有CuBO₂的一般组成及化学计量的p型半导体材料；n型半导体材料；染料；和一对的电极；其中所述一对的电极中至少其一是光学透明的，并且其中所述n型半导体材料、所述p型半导体材料和所述染料在所述一对的电极之间。