[发明专利]半导体纳米线基有机/无机复合太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域：

本发明的技术领域属于高效太阳能电池技术领域，相关器件开发具有很好的技术应用前景，涉及一类将纳米硅，II-VI族化合物氧化锌、二氧化钛、硫化镉、硒化镉、碲化镉纳米线阵列，有机聚合物聚3-己基噻吩(P3HT)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)-1，4-苯乙烯](MEH-PPV)、聚3-辛基噻吩(P3OT)，三种不同的半导体材料进行复合，制备具有高转换效率和性能稳定的“有机聚合物/II-VI族化合物纳米线/纳米硅”有机/无机复合太阳能电池结构的新技术。由本发明技术实现的有机/无机复合太阳能电池是对现有硅晶太阳能电池的一种技术发展尝试，符合国家现行能源技术方向，同时也是一种环境友好技术。

背景技术：

近十年来，高速增长的能源价格促使人们尽快寻找传统的能源如石油、原煤、天然气的替代品，越来越严重的环境污染问题也不断挑战人类的可持续发展。作为一个经济快速发展的国家，我国在能源方面的需求与日俱增，随之由能源利用产生的环境污染问题也越来越突出。太阳能作为一种可再生能源，具有清洁、丰富、安全等诸多优点，因而近年来世界上很多国家都投入了大量资金来开展这方面的研究。我国拥有辽阔的疆域面积，很多地区阳光充足，利用太阳能资源具有先天优势。在我国政府2006年公布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中，也提出要把发展新能源资源作为今后科技发展的首要主攻方向之一，并力求在太阳能等可再生能源技术方面取得突破并实现规模化应用。

将太阳辐射能直接转换成电能的基本装置就是太阳能电池。从材料上划分，太阳能电池可以分为基于无机材料、有机聚合物材料以及有机/无机复合材料三类。无机材料的太阳能电池优点是转换效率高，缺点在于制作程序复杂，原材料昂贵，一般需要经过高温、高真空或复杂的刻蚀程序。而基于有机材料的太阳能电池则以质量轻、柔性好以及成本相对较低、易于制备等优点引起了人们广泛关注，但该类电池的能量转换效率一般不高，这也是阻碍其应用的主要瓶颈之一。这种低效率主要源于有机材料一般都具有较低的载流子迁移率，解决该问题的主要途径就是把有机物聚合物和无机半导体材料复合起来形成光伏结构，利用电子迁移率高、稳定性好的无机材料作为电子传输介质，这样在一定程度上可以极大减少载流子的复合损失，进而提高太阳能电池的能量转换效率。同时，考虑到准一维无机半导体纳米结构，因具有优异的结构特征和物理性能，如大的比表面积、显著的量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，不仅在发光器件、微型激光器、纳米发电机以及气敏、湿敏传感器等方面有着广泛的应用前景，在有机聚合物和无机半导体材料复合形成太阳能电池器件中同样有着明显的优越性。尤其是在基于无机纳米线的有机/无机复合太阳能电池器件中，更是存在纳米结构比表面积大可充分吸收太阳光辐照能、无机纳米线材料的电子迁移率高易于传输电子、有机聚合物成本较低且柔性好、构成复合材料的各组分因具有不同带隙宽度可以实现对太阳光的多波段吸收，以及制作工艺相对比较简单等诸多优点。例如，对于许多仅用共轭聚合物制备的有机太阳能电池而言，由于其结构中作为p型半导体的共轭聚合物材料多为无定形、结晶度较低，分子间作用力较弱，光生载流子主要在分子内的共轭键上运动，而在分子间的迁移则比较困难，从而导致材料的电子迁移率较低。于是，为了提高其电子迁移率，有效解决途径之一就是在有机聚合物体系中引入高迁移率的一维无机半导体纳米材料，如纳米线或纳米棒等，作为n型半导体的无机半导体纳米材料与作为p型半导体的聚合物形成共混型的D/A互穿网络来构筑光伏结构，利用电子迁移率较高的无机材料作为电子的传输介质。这种结构有效地利用了有机、无机材料间的功能互补与优势协同：既利用了无机纳米晶载流子迁移率高、化学稳定性好的特点，又保留了有机聚合物材料良好的柔韧性和可加工性。但这类有机/无机复合体系中由于无机纳米棒在聚合物中是非连续存在的，也就是说载流子并没有仅通过一个简单通道而直接快速地传输到底面电极，从而使得电子在纳米晶中传输仍然要穿过多重晶界，这不仅会极大降低电子的传输速率，而且晶界处的缺陷还会俘获大量的传导电子而导致电池能量转换效率的下降。而本发明所采用的高度取向的单晶半导体化合物纳米线作为电子的快速传输通道，而有机聚合物作为空穴传输介质，避免了现有的有机/无机复合太阳能电池结构中电子传输都要经过多重晶界的不足，从而真正意义上实现了电子的快速输运。

发明内容：

本发明是针对上述问题提出了一种制备有序的纳米线基有机/无机复合太阳能电池器件的新方法，能大幅度提高太阳能电池的能量转换效率，为今后制造出高度有效的太阳能电池提供新思路。