一種太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池及其制備方法，具體為一種含無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子體相異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的有機(jī)/無(wú)機(jī)納米線雜化體相異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池中，高分子一般充當(dāng)主要的光活性材料，無(wú)機(jī)納米線通常用于提高器件的導(dǎo)電性能。因此，一系列無(wú)機(jī)納米線諸如氧化鋅、氧化鎘、硫化鎘、二氧化鈦等被應(yīng)用于該類太陽(yáng)能電池，并取得大約I?3%的能量轉(zhuǎn)換效率，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理論值。
[0003]導(dǎo)致該類太陽(yáng)能電池效率較低的因素主要有兩個(gè):一是光生激子在高分子內(nèi)部的復(fù)合，這是由微觀形貌的不可控和激子在高分子半導(dǎo)體中較短的遷移距離造成的；另一個(gè)主要因素是載流子在無(wú)機(jī)納米線/高分子界面的復(fù)合。為了減少界面上載流子的復(fù)合，現(xiàn)有技術(shù)中主要采用兩種策略:一是在無(wú)機(jī)納米線上修飾一些染料，二是通過(guò)在無(wú)機(jī)納米線表面沉積T12等。然而，激子在高分子內(nèi)部復(fù)合的問(wèn)題始終未被解決。
[0004]另外，傳統(tǒng)報(bào)道的基于刻蝕硅納米線陣列的光伏器件雖然己經(jīng)被廣泛報(bào)道并取得良好進(jìn)展，但是目前尚無(wú)希望在工業(yè)中應(yīng)用，究其原因除了光電轉(zhuǎn)換效率比較低之外，同面積的該類光伏器件所消耗的硅亦與傳統(tǒng)的單晶硅片器件相當(dāng)，不能真正體現(xiàn)硅納米線光伏器件結(jié)構(gòu)的廉價(jià)優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種太陽(yáng)能電池及其制備方法。
[0006]一種太陽(yáng)能電池，包括第一電極、第二電極以及設(shè)置在所述第一電極和所述第二電極之間的光電轉(zhuǎn)換活性層，其中，所述光電轉(zhuǎn)換活性層為包含無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子的體相異質(zhì)結(jié)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，所述無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料與所述透明導(dǎo)電高分子的質(zhì)量比為3:1到6:1。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述透明導(dǎo)電高分子為PEDOT: PSS或G-PEDOT: PSS。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體為硅。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述納米材料為納米線、納米球或納米管。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述第一電極為透明或半透明電極。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述第一電極為ITO玻璃。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述ITO玻璃上設(shè)置有PED0T:PSS緩沖層。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，在所述無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料表面修飾有金屬納米顆粒。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述金屬選自鉬、金或銀。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種制備太陽(yáng)能電池的方法，包括如下步驟:制備所述第一電極的步驟；在所述第一電極上形成所述光電轉(zhuǎn)換活性層的步驟，以及在所述光電轉(zhuǎn)換活性層上形成所述第二電極的步驟；其中，所述光電轉(zhuǎn)換活性層為包含無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子的體相異質(zhì)結(jié)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施方式，還包括對(duì)所述窄帶隙半導(dǎo)體納米材料進(jìn)行金屬納米顆粒修飾的步驟。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，還包括在所述第一電極和所述光電轉(zhuǎn)換活性層之間設(shè)置緩沖層的步驟。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，制備所述光電轉(zhuǎn)換活性層的步驟包括:制備所述無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料；將所述透明導(dǎo)電高分子配制成溶液；將所述無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料與所述透明導(dǎo)電高分子的溶液混合，將得到的混合物移至所述第一電極的表面；將所述第一電極在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行干燥處理。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式，所述無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料為硅納米線，所述硅納米線的制備步驟包括:將硅片分別在丙酮、乙醇及水中超聲；將所述硅片使用鉻酸洗液浸泡后使用水清洗；將所述娃片在AgNO3的HF水溶液中進(jìn)彳丁刻蝕；將刻蝕完成后的娃片在王水中浸泡；將所述硅片用水清洗，晾干。
[0021]本發(fā)明提供了一種包含無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子的體相異質(zhì)結(jié)的太陽(yáng)能電池，其中，載流子只產(chǎn)生在無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料中，在透明導(dǎo)電高分子內(nèi)部不產(chǎn)生載流子，透明導(dǎo)電高分子僅用于載流子的傳輸。
[0022]透明導(dǎo)電高分子的存在不僅能夠與無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料形成促進(jìn)載流子分離的異質(zhì)結(jié)和充當(dāng)空位傳輸材料，亦能夠鈍化無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料的表面，減少載流子在納米材料表面的復(fù)合損失，同時(shí)，透明導(dǎo)電高分子優(yōu)異的透明特性可以保證其在與納米材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)中充當(dāng)光譜的窗口材料，大大提高器件的光電轉(zhuǎn)換效率，也解決了傳統(tǒng)硅納米線太陽(yáng)能電池對(duì)硅材料的過(guò)度消耗問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的硅納米線陣列結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；
[0024]圖2 為本發(fā)明的 G-PEDOT、SiNWs, SiNWs-G-PEDOT:PSS 薄膜、硅片及SiNWs-PEDOT: PSS薄膜在300-1 10nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)光的透射率變化圖(a)、反射率變化圖(b)；
[0025]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的光伏器件的結(jié)構(gòu)及原理示意圖；
[0026]圖4為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的光伏器件的V。。、Isc及FF與光伏器件中硅納米線含量的關(guān)系圖；
[0027]圖5為本發(fā)明實(shí)施例1、2所制備的光伏器件在光照下的電流-電壓曲線圖；
[0028]圖6為本發(fā)明實(shí)施例3基于Pt納米顆粒修飾的硅納米線的SEM圖；
[0029]圖7為本發(fā)明實(shí)施例2、3的光伏器件在光照下的電流-電壓曲線；
[0030]圖8為本發(fā)明實(shí)施例4通過(guò)VLS法制備的硅納米線的SEM圖；
[0031]圖9為本發(fā)明實(shí)施例4制備的光伏器件的電流-電壓曲線，其中灰色曲線表示光電流，黑色曲線表示暗電流。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面，結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明一種太陽(yáng)能電池及其制備方法做詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]基于電子給體/受體體系而制備的有機(jī)太陽(yáng)能電池主要有兩種，一種是電子給體與電子受體分別以層狀薄膜的形式先后疊加，組成光電轉(zhuǎn)換活性層，即雙層或多層狀異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池；另一種則是給、受體材料共混形成光電轉(zhuǎn)換活性層，即體相異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池(Bulk heterojunct1norganic solar cells)。
[0034]上述兩種有機(jī)太陽(yáng)能電池，前者活性層中雖然含有促進(jìn)激子分離的異質(zhì)結(jié)界面，但是，器件效率往往很低，原因有三:一是膜與膜之間接觸面積有限，限制了激子分離；二是激子只能在近界面區(qū)域分離，遠(yuǎn)界面區(qū)域產(chǎn)生的激子往往還沒(méi)遷移到界面上就復(fù)合了 ；三是有機(jī)半導(dǎo)體材料的載流子遷移率通常很低，在界面上分離出來(lái)的載流子在向電極運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中會(huì)存在大量的損失。
[0035]相比較于前者，體相異質(zhì)結(jié)型有機(jī)太陽(yáng)能電池的活性層則是由給、受材料共混形成，兩種材料相互交錯(cuò)，形成一個(gè)雙連續(xù)、互相貫穿的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由此極大地增加了給、受體的接觸面積，形成了無(wú)數(shù)微小的p-n結(jié)，同時(shí)，減小了激子擴(kuò)散距離，使更多激子可以到達(dá)界面進(jìn)行分離，能量轉(zhuǎn)換效率也由此得到較大提高。
[0036]本發(fā)明的太陽(yáng)能電池，包括第一電極、第二電極以及設(shè)置在所述第一電極和所述第二電極之間的光電轉(zhuǎn)換活性層，其中，所述光電轉(zhuǎn)換活性層為包含無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子的體相異質(zhì)結(jié)。
[0037]本發(fā)明通過(guò)以透明導(dǎo)電高分子代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光活性分子，以無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子形成體相異質(zhì)結(jié)，使光生載流子僅產(chǎn)生在無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料中，在透明導(dǎo)電高分子內(nèi)部不產(chǎn)生載流子，透明導(dǎo)電高分子僅用于載流子的傳輸，從而解決了激子在高分子內(nèi)部復(fù)合的問(wèn)題。
[0038]本發(fā)明中可以選擇不同的無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體納米材料和透明導(dǎo)電高分子相配合，還可通過(guò)改變兩種材料的混合比例，不同程度地影響太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。
[0039]本發(fā)明所述的無(wú)機(jī)窄帶隙半導(dǎo)體指帶