等離激元增強(qiáng)的染料敏化太陽能電池的制作方法
【專利說明】等離激元増強(qiáng)的染料敏化太陽能電池
[0001] 優(yōu)先權(quán)的要求
[0002] 本申請要求2012年10月8日提交的在先美國臨時(shí)申請No. 61/710,878的權(quán)益， 將該申請通過參考全部并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總地涉及等離激元增強(qiáng)的染料敏化太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0004] 對于保存不可再生能量和降低二氧化碳排放的需求需要有效且廉價(jià)的方法 來利用太陽能。染料敏化太陽能電池（DSSC)由于它們的低成本和潛在的高于硅太陽 能電池的效率而成為有前景的技術(shù)。DSSC提供高的內(nèi)量子效率、大的表面與體積之比 (surface-to-volume ratio)以及可調(diào)節(jié)的吸收范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 可通過將等離激元納米結(jié)構(gòu)體添加到光陽極來實(shí)現(xiàn)全色DSSC。所述等離激元納米 結(jié)構(gòu)體可具有復(fù)合的核-多殼結(jié)構(gòu)，例如，氧化物核、內(nèi)部金屬殼和外部氧化物殼。
[0006] 在一方面，染料敏化太陽能電池包括光陽極，所述光陽極包括多個1102納米顆粒 和多個形成等離激元（plasmon-forming)的納米結(jié)構(gòu)體，其中各形成等離激元的納米結(jié)構(gòu) 體包括氧化物核、在所述氧化物核的表面上的內(nèi)部金屬殼、和在所述內(nèi)部金屬殼的表面上 的外部氧化物殼。
[0007] 所述氧化物核可包括TiO2。所述內(nèi)部金屬殼可包括Au、Ag或其組合。所述外部氧 化物殼可包括TiO 2。所述氧化物核可具有不大于50nm的直徑。所述內(nèi)部金屬殼可具有不 大于5nm的厚度。所述外部氧化物殼可具有不大于5nm的厚度。
[0008] 所述多個形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體可點(diǎn)綴（夾雜，interspersed)有所述多個 1102納米顆粒。所述形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體可為所述光陽極中的全部納米顆粒的0. 01 重量％至2. 5重量％。
[0009] 在另一方面，產(chǎn)生太陽能的方法包括照射包括多個TiO2納米顆粒和多個形成等離 激元的納米結(jié)構(gòu)體的染料敏化太陽能電池，其中各形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體包括氧化物 核、在所述氧化物核的表面上的內(nèi)部金屬殼、和在所述內(nèi)部金屬殼的表面上的外部氧化物 殼。
[0010] 所述氧化物核可包括TiO2。所述內(nèi)部金屬殼可包括Au、Ag或其組合。所述外部氧 化物殼可包括TiO 2。所述氧化物核可具有不大于50nm的直徑。所述內(nèi)部金屬殼可具有不 大于5nm的厚度。所述外部氧化物殼可具有不大于5nm的厚度。
[0011] 所述多個形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體可點(diǎn)綴有所述多個1102納米顆粒。所述形成 等離激元的納米結(jié)構(gòu)體可為所述光陽極中的全部納米顆粒的0. 01重量％至2. 5重量％。 [0012] 在另一方面，制造染料敏化太陽能電池的方法包括形成光陽極，所述光陽極包括 多個1102納米顆粒和多個形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體，其中各形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體 包括氧化物核、在所述氧化物核的表面上的內(nèi)部金屬殼、和在所述內(nèi)部金屬殼的表面上的 外部氧化物殼。
[0013] 形成光陽極可包括在基底上沉積所述多個形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體。形成光陽 極可包括在沉積之前將所述多個11〇2納米顆粒與所述多個形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體混 合。所述氧化物核可包括TiO2。所述內(nèi)部金屬殼可包括Au、Ag或其組合。所述外部氧化物 殼可包括TiO 2。所述氧化物核可具有不大于50nm的直徑。所述內(nèi)部金屬殼可具有不大于 5nm的厚度。所述外部氧化物殼可具有不大于5nm的厚度。
[0014] 所述多個形成等離激元的納米結(jié)構(gòu)體可點(diǎn)綴有所述多個1102納米顆粒。所述形成 等離激元的納米結(jié)構(gòu)體可為所述光陽極中的全部納米顆粒的0. 01重量％至2. 5重量％。
[0015] 根據(jù)以下描述、附圖和權(quán)利要求，其它方面、實(shí)施方式、和特征將變得明晰。
【附圖說明】
[0016] 圖1是染料敏化太陽能電池的示意性描繪。
[0017] 圖2是形成等離激元的納米顆粒體的示意性描繪。
[0018] 圖3說明常規(guī)DSSC (圖3A)和等離激元增強(qiáng)的DSSC (圖3B)的器件結(jié)構(gòu)。圖3C-3D 說明在常規(guī)DSSC(圖3C)和等離激元增強(qiáng)的DSSC(圖3D)中光產(chǎn)生的電子的收集。圖3E-3F 說明等離激元增強(qiáng)的DSSC的機(jī)理。
[0019] 圖4a_4c說明納米顆粒的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。圖4a，AgT、AuT和TAuT納米顆粒的圖 示（d tt、dAdP (^分別表示核直徑、金殼厚度和TiO2殼厚度）和透射電子顯微鏡（TEM)圖像。 比例尺條為 5nm。圖 4b 為 N719、AgT、AuT、TAuT-590 ( λ ?5ΡΚ= 590nm)、TAuT-700 和 TAuT-810 的照片和吸收光譜。圖4c顯示對于AgT(dtt = 15nm(對于所有的模擬，除非說明），dT = 2nm)、AuT(dT= 2nm)和TAuT(dAu= 3nm，dT= 2nm)納米顆粒而言在λ ^spk處在近場中的模 擬的EM強(qiáng)度增強(qiáng)（IE IV I Etl 12)。圖4d顯示對于具有不同dAu(dT= 2nm)的AgT、AuT和TAuT 納米顆粒而言作為波長的函數(shù)的增強(qiáng)因子。圖4e顯示作為（TAuT的）dAu和（AgT、AuT和 TAuT的）屯的函數(shù)的AgT、AuT和TAuT納米顆粒的λ _。圖4f顯示作為（TAuT的）dAu和 (AgT、AuT和TAuT的）dT的函數(shù)的增強(qiáng)因子在300-900nm上的光譜積分。圖4g，上部，對于 具有不同d Au(dT= 2nm)的AgT、AuT和TAuT而言作為波長的函數(shù)的增強(qiáng)因子；下部，對于具 有不同dAu(d T= 2nm)的AgT、AuT和TAuT而言總的染料吸收的增強(qiáng)。圖4h，通過AgT、AuT 和TAuT納米顆粒改善的N719-敏化TiCV薄膜的吸收。圖4i，在500°C退火之后在玻璃基 底上的Au納米籠OTiO 2 (AuNCT，左）和TAuT-700 (右）的薄膜的照片和吸收光譜；在退火之 后，TAuT納米顆粒保持它們的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，而AuNCT的λ^κ對于Au納米顆粒的λ uPK 藍(lán)移。
[0020] 圖5a顯示具有1.5 μπι厚度、對于最大PCE的優(yōu)化厚度（10-15 μL?)的引入AgT、 AuT和TAuT納米顆粒的光陽極的DSSC的IPCE光譜，和作為在優(yōu)化的TAuT-DSSC中的TAuT 納米顆粒的濃度的函數(shù)的DSSC的IPCE光譜。圖5b、5c和5d分別顯示作為等離激元納米 顆粒的濃度（0-1.0重量％ )和光陽極厚度（1-20 μ m)的函數(shù)的具有引入AgT、AuT和TAuT 納米顆粒的光陽極的等離激元增強(qiáng)DSSC的Js。、Vre和PCE。
[0021] 圖6a-6b說明體硅（bulk silicon)的吸收系數(shù)（圖6a)和N719的消光系數(shù)（圖 6b);陰影區(qū)域?yàn)榈蚅H區(qū)域，其需要更厚的光活性層以實(shí)現(xiàn)高的LHE。圖6c顯示太陽能電 池的光譜響應(yīng)的示意圖。太陽能在LH材料的（通常為紅色-NIR)中被較少地利用。圖 6d顯示對于AgT (黃色）、AuT (紫色）和TAuT (藍(lán)色）等離激元NP而言作為波長的函數(shù)的 EM強(qiáng)度的增強(qiáng)的說明。AgT和AuT的λ ^,與階19的λ m重疊，最大化等離激元增強(qiáng)的LH 的效果。TAuT的λ疆與N719的λ ^匹配，均衡在不同波長處的LH。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 染料敏化太陽能電池（DSSCs)因高的能量轉(zhuǎn)換效率（PCE ;在一些情況下超過12% (參考文獻(xiàn)35-37))以及低的材料成本和基于溶液的制造工藝而引起巨大關(guān)注（參考文獻(xiàn) I- 5) 〇
[0023] 參照圖1，太陽能電池100包括承載集流體120的基底110 (例如，玻璃）。集流體 120緊接光陽極140,使得電流可在光陽極140和集流體120之間流動。光陽極140可為多 孔層。光陽極140可包括光陽