一種基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法。本發(fā)明所提供的太陽(yáng)能電池，其包括在背電極上依序?qū)盈B排列的：寬禁帶半導(dǎo)體層、光敏化染料層、石墨烯層及金屬納米顆粒層。本發(fā)明所提供的太陽(yáng)能電池，通過(guò)金屬納米顆粒的局域表面等離激元極大的提升顆粒周圍的局域電磁場(chǎng)，將入射的光場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在納米顆粒表面周圍中，從而對(duì)光激發(fā)染料進(jìn)行有效激發(fā)，提高太陽(yáng)能電池吸收光的效率。同時(shí)采用單層石墨烯替代傳統(tǒng)電池中的電解質(zhì)溶液和對(duì)電極，不僅簡(jiǎn)化了電池結(jié)構(gòu)，而且有效提高了電池的安全性能，在工業(yè)生產(chǎn)及應(yīng)用中有巨大潛力。
【專利說(shuō)明】—種基于表面等離子體增強(qiáng)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)明涉及一種基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在新能源的行列中，太陽(yáng)能占地球總能量的99%以上，具有清潔性以及大儲(chǔ)量，正在逐步成為新能源產(chǎn)業(yè)的主力軍(Chem.Rev.2010, 110, 6595)。而太陽(yáng)能電池則是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的重要載體，它主要是利用光伏半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換；目前主要研究的半導(dǎo)體材料有:單晶硅，多晶硅，多元化合物，有機(jī)半導(dǎo)體，染料敏化等(Chem.Rev, 2007，107:1324-1338)。
[0003]與傳統(tǒng)的硅太陽(yáng)能電池相比，有機(jī)染料敏化太陽(yáng)能電池以其低廉的成本成為一股新興力量，也是未來(lái)光伏產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向；不過(guò)其光電轉(zhuǎn)換率較低在某種程度上降低了其發(fā)展步伐(Nature Photon, 2012，6:180-185)。
[0004]石墨烯是具有優(yōu)異性能的二維平面材料，如單原子層石墨烯材料理論表面積可達(dá) 2630m2/g(Solid State Commun.2008, 146(9/10):351 - 355)高達(dá) 200000cm2/(V.s)的半導(dǎo)體本征遷移率，熱傳導(dǎo)率約為5000W/(m.k)，且透光率達(dá)到97.7% (Adv.Mater, 2010，22(35):3906 - 3924);其如此優(yōu)異的性能主要取決于石墨烯的分子結(jié)構(gòu)，它是一種SP2雜化碳原子形成的六邊形二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展得到的單層或少層材料(NaturePhoton.2010,4,611)。目前應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的透光導(dǎo)電電極的材料為金屬氧化物，俗稱導(dǎo)電玻璃(如氧化銦錫，氧化氟錫)，但導(dǎo)電玻璃中的金屬離子容易自發(fā)擴(kuò)散，對(duì)紅外光譜具有較強(qiáng)的吸收性，而且其熱穩(wěn)定性較差(Adv.Mater.,2011, 23 (13):1514 - 1518);人們急需一種可以替代導(dǎo)電玻璃的低成本材料，來(lái)進(jìn)一步促進(jìn)太陽(yáng)能電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程(Nanotechnology, 2012, 23(8):085201 -1 -6)。石墨烯作為一種超薄,透光性能良好,導(dǎo)電性能優(yōu)異的材料，并以其較低成本的優(yōu)勢(shì)備受人們關(guān)注(Opt.Mater.Express, 2012, 2 (6):814 - 824)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池及其制備方法。
[0006]本發(fā)明所提供的基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池，其包括在背電極上依序?qū)盈B排列的:寬禁帶半導(dǎo)體層、光敏化染料層、石墨烯層及金屬納米顆粒層。
[0007]其中，所述背電極可由下述至少一種材料組成:銦、銀和鋁。所述背電極的厚度可為 150nm 至 200nm。
[0008]所述寬禁帶半導(dǎo)體層中的寬禁帶半導(dǎo)體通常是指禁帶寬度大于2.2eV的半導(dǎo)體；具體選擇下述任意一種半導(dǎo)體材料:氧化鋅、二氧化鈦、氮化鎵、碳化硅和硫化鋅。所述寬禁帶半導(dǎo)體層的厚度可為300nm?800nm。使用時(shí)，上述半導(dǎo)體材料通常以晶片的形式存在。
[0009]所述光敏化染料層吸附于所述寬禁帶半導(dǎo)體層表面，其可由多吡啶釕配合物類染料敏化劑組成，例如K19，N3，N719, Z907和Black dye。所述K19染敏分子的結(jié)構(gòu)式如式I所示，N3染敏分子結(jié)構(gòu)式如式II所示，N719分子結(jié)構(gòu)式如式III所示，Z907染敏分子結(jié)構(gòu)式如式IV所示，Black dye染敏分子結(jié)構(gòu)式如式V所示。所述光敏化染料層的厚度可為I~2nm0[0010]
【權(quán)利要求】
1.一種基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池，其包括在背電極上依序?qū)盈B排列的:寬禁帶半導(dǎo)體層、光敏化染料層、石墨烯層及金屬納米顆粒層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述寬禁帶半導(dǎo)體層由下述任意一種半導(dǎo)體材料組成:氧化鋅、二氧化鈦、氮化鎵、碳化硅和硫化鋅；所述寬禁帶半導(dǎo)體層的厚度為300nm~800nm ； 所述光敏化染料層由多吡啶釕配合物類染料敏化劑組成；多吡啶釕配合物類染料敏化劑優(yōu)選為下述任意一種:K19、N3、N719、Z907和Black dye ;所述光敏化染料層的厚度為I~2nm0
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述石墨烯層為單層石墨烯片； 所述金屬納米顆粒層沉積于所述石墨烯層上，所述金屬納米顆粒由下述至少一種金屬的納米顆粒組成:金、銀和銅；所述金屬納米顆粒層的厚度為5~15nm,所述納米顆粒的粒徑為20~60nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述背電極由下述至少一種材料組成:銦、銀和鋁；所述背電極的厚度為150nm~200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池，其特征在于:所述太陽(yáng)能電池，其結(jié)構(gòu)還包括設(shè)于所述金屬納米顆粒層上的柔性透明材料層；所述柔性透明材料層 優(yōu)選由下述任意一種材料制成:聚丙烯酸甲酯、聚乙烯對(duì)苯二甲酯和聚酰亞胺；所述柔性透明材料層的厚度為100-300nm。
6.制備權(quán)利要求1-4中任一所述基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池的方法，包括下述步驟: 1)制備表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體；其中，所述寬禁帶半導(dǎo)體的一面為光滑表面，另一面為粗糙表面； 2)在步驟I)制備的表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體的粗糙表面蒸鍍金屬，形成背電極； 3)在經(jīng)步驟2)處理后的寬禁帶半導(dǎo)體的光滑表面組裝光激發(fā)染料，形成光敏化染料層； 4)在石墨烯片的一側(cè)表面上蒸鍍金屬，然后將其進(jìn)行退火處理，得到一側(cè)表面負(fù)載金屬納米顆粒的石墨烯片； 5)將步驟4)制備的一側(cè)表面負(fù)載金屬納米顆粒的石墨烯片轉(zhuǎn)移至所述光敏化染料層表面，得到所述基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池；其中石墨烯片中未負(fù)載金屬顆粒的表面與所述光敏化染料層相接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于: 所述步驟I)中所述寬禁帶半導(dǎo)體為氧化鋅、二氧化鈦、氮化鎵、碳化硅或硫化鋅； 所述步驟2)中所蒸鍍的金屬選自下述至少一種:銦、銀和鋁；所述背電極的厚度為150nm ~200nm ； 所述步驟3)中，所述光激發(fā)染料為多吡啶釕配合物類染料敏化劑，優(yōu)選為K19、N3、N719、Z907 或 Black dye ； 所述光激發(fā)染料通過(guò)浸涂法或旋涂法組裝到寬禁帶半導(dǎo)體表層，得到厚度為I~2nm的光敏化染料層； 所述步驟4)中，所述金屬選擇下述至少一種:金、銀和銅； 所述步驟4)中，所述蒸鍍金屬的具體方法如下:以所述金屬為靶材，采用真空蒸鍍法在所述石墨烯片上沉積金屬；所述真空蒸鍍法中所采用的真空度為3.5 X IO-4~5X 10_4P ；所蒸鍍的金屬為5~15nm ； 所述退火處理的具體方法如下:在氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩?，?00-350 °C退火30-45min ;其中氫氣的流量為550_650sccm，氮?dú)獾牧髁繛?50_650sccm。
8.根據(jù)權(quán)利6或7所述的方法，其特征在于:所述步驟4)中將所述一側(cè)表面負(fù)載金屬納米顆粒的石墨烯片轉(zhuǎn)移至所述光敏化染料層表面是以柔性透明材料為支撐層實(shí)現(xiàn)的； 具體方法如下: 將形成所述柔性透明材料層的原料溶液旋涂于石墨烯片上的金屬納米顆粒層上，形成柔性透明材料層，然后將制備石墨烯所用的金屬基體去除，接著以所述柔性透明材料層為支撐層將石墨烯平貼到所述光敏化染料層表面，先在35~15°C下烘烤10~15min，再在100~120°C下烘烤8~15min，最后除去所述柔性透明材料層，即得所述基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池； 其中，所述柔性透明材料層優(yōu)選由下述任意一種材料制成:聚丙烯酸甲酯、聚乙烯對(duì)苯二甲酯和聚酰亞胺；所述柔性透明材料層的厚度為100-300nm。
9.制備權(quán)利要求5所述基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池的方法，包括下述步驟: 1)制備表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體；其中，所述寬禁帶半導(dǎo)體的一面為光滑表面，另一面為粗糙表面； 2)在步驟I)制備的表面平整的寬禁帶半導(dǎo)體的粗糙表面蒸鍍金屬，形成背電極； 3)在經(jīng)步驟2)處理后的寬禁帶半導(dǎo)體的光滑表面組裝光激發(fā)染料，形成光敏化染料層； 4)在石墨烯片的一側(cè)表面上蒸鍍金屬，然后將其進(jìn)行退火處理，得到一側(cè)表面負(fù)載金屬納米顆粒的石墨烯片； 5)將形成所述柔性透明材料層的原料溶液旋涂于石墨烯片上的金屬納米顆粒層上，形成柔性透明材料層，然后將制備石墨烯所用的金屬基體去除，接著以所述柔性透明材料層為支撐層將石墨烯平貼到所述光敏化染料層表面，35~15°C下烘烤10~15min，再在100~120°C下烘烤8~15min，即得所述基于表面等離子體增強(qiáng)原理的太陽(yáng)能電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:所述步驟I)中所述寬禁帶半導(dǎo)體為氧化鋅、二氧化鈦、氮化鎵、碳化硅或硫化鋅； 所述步驟2)中所蒸鍍的金屬選自下述至少一種:銦、銀和鋁；所述背電極的厚度為150nm ~200nm ； 所述步驟3)中，所述光激發(fā)染料為多吡啶釕配合物類染料敏化劑，優(yōu)選為K19、N3、N719、Z907 或Black dye ； 所述光激發(fā)染料通過(guò)浸涂法或旋涂法組裝到寬禁帶半導(dǎo)體表層，得到厚度為I~2nm的光敏化染料層； 所述步驟4)中，所述金屬選擇下述至少一種:金、銀和銅；所述步驟4)中，所述蒸鍍金屬的具體方法如下:以所述金屬為靶材，采用真空蒸鍍法在所述石墨烯片上沉積金屬；所述真空蒸鍍法中所采用的真空度為3.5 X IO-4~5X 10_4P ；所蒸鍍的金屬為5~15nm ； 所述退火處理的具體方法如下:在氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚夥罩?，?00-350 °C退火30-45min ;其中氫氣的流量為550_650sccm，氮?dú)獾牧髁繛?50_650sccm ； 所述步驟5)中，所述柔性透明材料層由下述任意一種材料制成:聚丙烯酸甲酯、聚乙烯對(duì)苯二甲酯和聚酰 亞胺；所述 柔性透明材料層的厚度為 100-300nm。
【文檔編號(hào)】H01G9/004GK103887073SQ201410126280
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】郭雪峰, 李新喜, 賈傳成, 張國(guó)慶 申請(qǐng)人:北京大學(xué)