一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法。包括如下步驟：（1）制備表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體；所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鈦或二氧化鋅；（2）將石墨烯轉(zhuǎn)移至所述寬禁帶半導(dǎo)體的一表面上，然后繼續(xù)在所述石墨烯上組裝光激發(fā)材料得到光激發(fā)材料層；（3）在所述寬禁帶半導(dǎo)體的另一表面組裝低功函金屬，即得到所述太陽(yáng)能電池。本發(fā)明提供的太陽(yáng)能電池的電荷分離基于全新的選擇性隧穿機(jī)制，電子跨越式隧穿進(jìn)入二氧化鈦導(dǎo)帶，空穴不能跨過(guò)而被石墨烯上的電子還原。即僅一單原子層石墨烯就成功替代了傳統(tǒng)染料敏化太陽(yáng)能電池中的電解質(zhì)溶液與對(duì)電極，大大簡(jiǎn)化了太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)。
【專利說(shuō)明】一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能電池是目前利用太陽(yáng)能最高效、最有發(fā)展前景的手段之一。而目前商品化的晶體硅、非晶硅、砷化鎵、銅銦鎵硒、碲化鎘等太陽(yáng)能電池由于其高昂的成本限制了太陽(yáng)能電池的廣泛使用(Nature.2001, 414，338)。為了降低太陽(yáng)能電池的成本和滿足光伏建筑一體化等特殊場(chǎng)合太陽(yáng)能的使用，有機(jī)柔性太陽(yáng)能電池(Chem.Rev.2010, 110, 6689)、染料敏化太陽(yáng)能電池(Chem.Rev.2010，110，6595)、納米太陽(yáng)能電池(Chem.Rev.2010，110，6873)等第三代新型太陽(yáng)能電池的研發(fā)引起了廣泛的研究興趣。為了使太陽(yáng)能發(fā)電更加普及，現(xiàn)在迫切需要提出新的太陽(yáng)能電池原理和思路來(lái)制備出高效、廉價(jià)、實(shí)用的太陽(yáng)能電池。
[0003]石墨烯是一種具有單原子層厚度的二維平面半金屬材料，有著獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)特性(Rev.Mod.Phys.2009,81，109)。由于其良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性與透光性，已經(jīng)被嘗試著作為新一代電極材料應(yīng)用于各種膜電池與染料敏化電池中(NaturePhoton.2010, 4，611)。此外，由于石墨烯Dirac錐形能級(jí)結(jié)構(gòu)、能級(jí)位置可調(diào)、單原子層厚度，可以實(shí)現(xiàn)光電能調(diào)控，這些將會(huì)為設(shè)計(jì)新型太陽(yáng)能電池提供新的機(jī)遇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法，本發(fā)明中太陽(yáng)能電池將電子接受層與空穴接受層放置在了光激發(fā)材料的同側(cè)，結(jié)合電子隧穿與能級(jí)位置匹配的關(guān)系，從全新的視角實(shí)現(xiàn)了光生電子和空穴的同側(cè)收集，用簡(jiǎn)單一層石墨烯代替了傳統(tǒng)染敏太陽(yáng)能電池中復(fù)雜的電解質(zhì)與對(duì)電極，提供了全新結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能電池。
[0005]本發(fā)明所提供的一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:
[0006](1)制備表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體；
[0007]所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鈦或二氧化鋅；
[0008](2)將石墨烯轉(zhuǎn)移至所述寬禁帶半導(dǎo)體的一表面上，然后繼續(xù)在所述石墨烯上組裝光激發(fā)材料得到光激發(fā)材料層；
[0009](3)在所述寬禁帶半導(dǎo)體的另一表面組裝低功函金屬，即得到所述太陽(yáng)能電池。
[0010]上述的制備方法中，所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鈦，其通過(guò)下述1)-4)中任一種方法制備:
[0011]1) 二氧化鈦單晶基片的表面進(jìn)行機(jī)械拋光，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得；
[0012]2)在經(jīng)機(jī)械拋光的鈦片上經(jīng)磁控濺射蒸鍍鈦，然后在氧氣中退火將鈦氧化成二氧化鈦，再依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得；
[0013]3)在氧等離子氣氛中，以金屬鈦為靶材，用磁控濺射蒸鍍二氧化鈦，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得；
[0014]4)在真空條件下，以二氧化鈦顆粒為靶材，用電子束蒸鍍以二氧化鈦，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得。
[0015]上述的制備方法中，所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鋅，其通過(guò)下述方法制備:氧化鋅單晶的表面進(jìn)行機(jī)械拋光，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得。
[0016]上述的制備方法中，步驟(2)中，所述光激發(fā)材料可為Z907染敏分子、染敏Dye-1分子、聚-3-己基噻吩或PbS ；
[0017]所述Z907染敏分子的結(jié)構(gòu)式如式I所示，所述敏Dye-Ι分子的結(jié)構(gòu)式如式II所
【權(quán)利要求】
1.一種基于選擇性隧穿原理的太陽(yáng)能電池的制備方法，包括如下步驟:(1)制備表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體；所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鈦或二氧化鋅；(2)將石墨烯轉(zhuǎn)移至所述寬禁帶半導(dǎo)體的一表面上，然后繼續(xù)在所述石墨烯上組裝光激發(fā)材料得到光激發(fā)材料層；(3)在所述寬禁帶半導(dǎo)體的另一表面組裝低功函金屬，即得到所述太陽(yáng)能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鈦，其通過(guò)下述1) _4)中任一種方法制備:1)二氧化鈦單晶基片的表面進(jìn)行機(jī)械拋光，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得；2)在經(jīng)機(jī)械拋光的鈦片上經(jīng)磁控濺射蒸鍍鈦，然后在氧氣中退火將鈦氧化成二氧化鈦，再依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得；3)在氧等離子氣氛中，以金屬鈦為靶材，用磁控濺射蒸鍍二氧化鈦，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得；4)在真空條件下，以二氧化鈦顆粒為靶材，用電子束蒸鍍以二氧化鈦，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于:所述寬禁帶半導(dǎo)體為二氧化鋅，其通過(guò)下述方法制備:氧化鋅單晶的表面進(jìn)行機(jī)械拋光，然后依次在HF水溶液和氧等離子體中進(jìn)行刻蝕以進(jìn)行化學(xué)拋光，即得。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于:步驟(2)中，所述光激發(fā)材料為Z907染敏分子、染敏Dye-Ι分子、聚_3己基噻吩或PbS ；所述Z907染敏分子的結(jié)構(gòu)式如式I所示，所述敏Dye-Ι分子的結(jié)構(gòu)式如式II所示，
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于:所述光激發(fā)材料通過(guò)下述方法進(jìn)行組裝:1)所述光激發(fā)材料為所述Z907染敏分子，所述Z907染敏分子通過(guò)浸涂法或旋涂法組裝到所述石墨烯上；2)所述光激發(fā)材料為所述染敏Dye-Ι分子，所述染敏Dye_l分子通過(guò)浸涂法組裝到所述石墨烯上；3)所述光激發(fā)材料為所述聚-3-己基噻吩，所述聚-3-己基噻吩通過(guò)旋涂法組裝到所述石墨烯上；4)所述光激發(fā)材料為PbS，在真空條件下，以PbS粉末為靶材進(jìn)行電子束蒸鍍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于:步驟(3)中，所述低功函金屬為鈦、鋁、銦或銦鎵合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于:所述低功函金屬通過(guò)下述方法進(jìn)行組裝:1)所述低功函金屬為鈦，以金屬鈦為靶材，在氬氣等離子體氛圍，經(jīng)磁控濺射進(jìn)行組裝鈦；2)所述低功函金屬為鋁，以金屬鋁為靶材，在氬氣等離子體氛圍，經(jīng)磁控濺射進(jìn)行組裝招;3)所述低功函金屬為銦，以金屬銦為靶材， 在真空條件下，經(jīng)熱蒸鍍進(jìn)行組裝銦；4)所述低功函金屬為銦鎵合金，將液態(tài)的銦鎵合金滴到所述寬禁帶半導(dǎo)體的表面，然后用銅片壓平整即可。
8.權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述方法制備的太陽(yáng)能電池。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK103680988SQ201310412431
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月11日
【發(fā)明者】郭雪峰, 賈傳成, 顧春暉 申請(qǐng)人:北京大學(xué)