基于空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的光伏器件及其高比表面積、直接載流子通路的納米材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及到新能源的光電轉(zhuǎn)換技術(shù)和空間支架結(jié)構(gòu)狀的納米材料，具體地涉及一種基于空間支架結(jié)構(gòu)光陽極的光伏器件，更具體地涉及一種以空間支架結(jié)構(gòu)納米材料為光陽極的表面等離激元增強型太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著環(huán)境與能源問題的持續(xù)惡化，加強環(huán)境保護和開發(fā)清潔能源成為人類高度關(guān)注的焦點。太陽能電是取之不盡用之不竭的理想清潔能源，通過光伏器件利用太陽能成為國內(nèi)外科研工作者的目標。太陽能電池到現(xiàn)在經(jīng)歷了三個階段，第一代太陽能電池基于硅片技術(shù)，第二代半導(dǎo)體太陽能電池基于半導(dǎo)體薄膜技術(shù)，但第一代太陽能電池成本較高，而第二代太陽能電池效率較低，穩(wěn)定性也比較差。第三代太陽能電池現(xiàn)在正處于研究發(fā)展階段。第三代太陽能電池主要有有機半導(dǎo)體太陽能電池、量子點太陽能電池、染料敏化太陽能電池、有機無雜化太陽能電池、雙結(jié)多結(jié)太陽能電池、中間帶太陽能電池和熱載流子太陽能電池等，第三代太陽能電池有望實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換效率比第一代太陽能電池高轉(zhuǎn)換效率的同時，保持第二代太陽能電池的低成本優(yōu)勢。
[0003]然而，目前其可控利用部分大約僅占世界能源的0.03% (Mrs Bulletin 2007,32,808-820)。眾所周知，光伏器件的光電轉(zhuǎn)換的存在著Shockley-Queisser瓶頸、吸收光所需要的材料最低厚度的Ray Optic Limit和載流子在輸運過程中的損耗是影響光伏器件性能最重要的因素。通過對電池表面制絨和采用多層吸收結(jié)構(gòu)(能帶工程的一種)，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有了顯著的提高。然而，目前的太陽能電池性能仍然不足以民用化。因此，太陽能電池研究中，困擾人們的問題是如何進一步提高太陽能的光電轉(zhuǎn)換效率以及降低制備成本。
[0004]量子點是一種“人造原子”，具有量子限域效應(yīng)，基于量子點的太陽能電池即量子點敏化太陽能電池通過碰撞電離可以產(chǎn)生多激子效應(yīng)，也就是一個光子可以產(chǎn)生多個電子空穴對。這樣就可以克服Shockley-Queisser瓶頸，提高太陽能電池的光生電流密度。遺憾的是，目前量子點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率并不高(一般為4%左右)，這是由于其光陽極無法提供直接的載流子輸運路徑。例如對于目前最常見的介觀多孔二氧化鈦(T12)薄膜，載流子要在T12顆粒之間輸運，比如導(dǎo)致輸運不暢和被缺陷俘獲而損耗。而且，目前量子點太陽能電池光陽極已有納米棒狀、球狀等納米材料對光的抗反射效果差，比表面積小(導(dǎo)致可吸附量子的表面積小)，無法充分吸收太陽光譜。此外，光陽極結(jié)晶質(zhì)量差也將導(dǎo)致載流子(電子或者空穴)熱損耗，使得太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率很難進一步提高。
[0005]綜上所述，目前太陽能電池要么成本太高(例如單晶硅太陽能電池)，要么光電轉(zhuǎn)換效率太低(例如有機太陽能電池)，要么性能不穩(wěn)定(例如非晶硅太陽能電池)，這些不利因素嚴重制約著光伏發(fā)電技術(shù)的市場化和太陽能的開發(fā)利用，迫切需要開發(fā)一種高效率且成本合理的光伏器件及其組成該器件的光陽極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種基于空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的光伏器件及其高比表面積、直接載流子通路的納米材料。通過三元自反饋調(diào)控劑調(diào)控納米材料合成，獲得了完美的空間支架結(jié)構(gòu)納米材料，其具有超高比表面積(比表面積為納米棒陣列的數(shù)十倍，為平面結(jié)構(gòu)的成百上千倍)、優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量(高溫高壓下合成，結(jié)晶質(zhì)量非常好但是成本低廉因為采用了化學(xué)液相方法合成)、直接的載流子輸運路徑和良好抗反射性能(將入射光方向散射或者直接囚禁在納米結(jié)構(gòu)中)等獨特優(yōu)勢。此外，通過引入表面等離激元實現(xiàn)光調(diào)控進而輔助光吸收，加快了光電轉(zhuǎn)換速率，同時提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。
[0007]本發(fā)明的第一目的在于獲得一種基于空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的光伏器件，其光電轉(zhuǎn)換效率高且制造成本合理。
[0008]本發(fā)明的第二目的在于獲得一種非常適合用于太陽能電池、紅外隱身技術(shù)、集成電路、發(fā)光領(lǐng)域和生物芯片方面的納米材料即空間支架結(jié)構(gòu)納米材料。
[0009]本發(fā)明的第三目的在于提供一種本發(fā)明所述的空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的制備方法。
[0010]本發(fā)明的第四目的在于提供所述空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的應(yīng)用。
[0011]本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的光伏器件，該器件包括:基底；
[0012]布置于基底上的頂電極；
[0013]布置于對電極上的納米材料;其中，該納米材料形貌為空間支架結(jié)構(gòu)，具有超高比表面積、直接載流子通路；
[0014]布置于光陽極上的光電轉(zhuǎn)換層;其中，所述光電轉(zhuǎn)換材料包括光電轉(zhuǎn)換材料和增強器件性能的納米金屬結(jié)構(gòu)；
[0015]對電極
[0016]基底:本發(fā)明的基底沒有具體限制，只要不對本發(fā)明目的產(chǎn)生限制即可?？梢允菍?dǎo)電玻璃、塑料柔性基底和不銹鋼等，優(yōu)選地，采用FTO玻璃。
[0017]頂電極:本發(fā)明的頂電極沒有具體限制，只要不對本發(fā)明目的產(chǎn)生限制即可。例如可以采用歐姆接觸性能好的摻氟銦砸氧化物、銀漿料和銅等
[0018]納米材料:本發(fā)明采用空間支架結(jié)構(gòu)納米材料作為電池的光陽極或者電子的輸運材料。其具有超高比表面積，比表面積為納米棒陣列的數(shù)十倍，為平面結(jié)構(gòu)的成百上千倍；優(yōu)異的結(jié)晶質(zhì)量但是成本低廉;直接的載流子輸運路徑和良好抗反射性能等獨特優(yōu)勢。該納米材料種類沒有具體限制，只要不對本發(fā)明目的產(chǎn)生限制即可。可以是氧化鋅(ZnO)，二氧化鈦(Ti02)，II1-V族半導(dǎo)體材料，金(Au)，銀(Ag)，銅(Cu)，鋁(Al)或者硅(Si)。優(yōu)選地，采用ZnO。本發(fā)明的實施例1給出了氧化鋅空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的詳細合成步驟以及得到空間支架結(jié)構(gòu)的形貌，參見圖2、圖3和圖4。
[0019]光電轉(zhuǎn)換層:本發(fā)明所述光電轉(zhuǎn)換材料包括光電轉(zhuǎn)換材料和增強器件性能的納米金屬結(jié)構(gòu)。光電轉(zhuǎn)換材料沒有具體限制，只要不對本發(fā)明目的產(chǎn)生限制即可。例如，光電轉(zhuǎn)換材料包含用于產(chǎn)生并分離電子和空穴，通常包含P型半導(dǎo)體和η型半導(dǎo)體組成的pn結(jié);或者光敏材料和能夠與光敏化材料實現(xiàn)能帶匹配實現(xiàn)載流子輸運的材料(例如，spiroMeOAD等)O
[0020]增強器件性能的納米金屬結(jié)構(gòu)沒有具體限制，只要不對本發(fā)明目的產(chǎn)生限制即可。例如，納米金屬結(jié)構(gòu)的金屬可以采用金、銀、鋁、銅、稀土或其組合;納米金屬結(jié)構(gòu)可以是立方體、納米顆粒、納米殼、納米棒或其組合。優(yōu)選地，它們的尺寸在I?I OOnm，更優(yōu)選地，尺寸為50納米。
[0021]對電極:本發(fā)明的對電極(或者稱為背電極)沒有具體限制，只要不對本發(fā)明目的產(chǎn)生限制即可。可以選用鋁漿、金和碳等。優(yōu)選地，選用鋁漿。優(yōu)選地，對電極厚度為200nm。
[0022]本發(fā)明的第二方面，在于獲得一種非常適合用于太陽能電池、紅外隱身技術(shù)、集成電路、發(fā)光領(lǐng)域和生物芯片方面的納米材料即空間支架結(jié)構(gòu)納米材料，所采取的具體技術(shù)方案是:
[0023]—種空間支架結(jié)構(gòu)納米材料的制備方法，其包括如下步驟:
[0024](I)基底的準備:包括清洗和籽晶層的制備；
[0025](2)配置納米材料生長的營養(yǎng)液；
[0026](3)往營養(yǎng)液中添加三元自反饋調(diào)控劑(優(yōu)選地，包括堿性鹽、酸式鹽和雙性鹽這三元合成劑)用于調(diào)控合成納米材料；
[0027](4)將基底固定在包含三元自反饋調(diào)控劑的營養(yǎng)液的密閉容器中；
[0028](5)將步驟(4)所述密閉容器置于恒溫裝置中，生長特定時間
[0029 ] (6)將步驟(5)生長完成后的基底取出進行清洗，獲得空間支架結(jié)構(gòu)納米材料
[0030]優(yōu)選的，步驟(2)所述的氧化鋅納米材料生長的營養(yǎng)液為脫水醋酸鋅和六亞甲基四胺混合溶液，濃度都是0.1?50mmol/L;最優(yōu)選的所述營養(yǎng)液濃度為30mmol/L。二氧化鈦納米材料生長的營養(yǎng)液為乙二醇、濃鹽酸、鈦酸正丁酯和去離子水的混合溶液，其中，最優(yōu)選的乙二醇濃度為8mol/L、濃鹽酸2mol/L