CN103400740A - 光电性能可测的透射电镜样品杆及构建太阳能电池的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可测量纳米材料光电性能及显微结构的透射电镜样品杆及构建太阳能电池方法，包括截面U形的外壳、设在U形外壳开口端的电路总控，以及设在外壳内的驱动筒、第一样品支撑台和第二样品支撑台，驱动筒具有压电陶瓷的一端与电路总控相连接，驱动筒的另一端设有第一样品支撑台，第一样品支撑台不与驱动筒接触的一端设置光阳极材料；第二样品支撑台设与第一样品支撑台相对设置，所述第二样品支撑台包括绝缘堵片、设在绝缘堵片上的金属电极、异质结发光源、连接台和第二堵片，绝缘堵片通过连接台与第二堵片固接，第二堵片固定在外壳内闭口一端。本发明能够在透射电镜样品杆上原位构建太阳能电池并进行光电性能及显微结构测试。

Description

光电性能可测的透射电镜样品杆及构建太阳能电池的方法

 

技术领域

本发明属于构建纳米太阳能电池光电性能及显微结构的样品测试装置。

背景技术

全球各国持续增长的能源战略需求导致传统化石燃料资源日益枯竭，大气环境污染加剧。寻求可再生的绿色能源供给渠道是经济可持续发展的重要保障。其中，太阳能电池的开发利用成为解决当前能源和环境问题的共识。研究纳米太阳能电池在光照状态下的电学响应和物理形貌变化，采集其光电特性数据，是当前设计和开发纳米太阳能电池的基本目标。目前纳米尺度微型单元光电性能的测试仍然缺乏直观的表征手段。

透射电子显微镜由于能够在原子尺度的分辨率下观察样品，是研究纳米材料结构和性能的有力工具，而TEM中物镜极靴之间放置样品的空间非常狭小，通常只有10毫米左右，在容纳下样品杆之外，很难安装光源，更难测量电信号，因此需要将电信号导出到电镜外部进行测量。此种条件下，如何进行原位太阳能电池的构建已经很困难。如何在有限空间内引入多个电极，在引入光源同时，实时进行电学测量，原位揭示待测单元的光电性能和纳米结构变化是当前太阳能电池研究的难题。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了一种能够在透射电镜样品杆上原位构建太阳能电池并进行光电性能及显微结构测试的样品杆，它能够利用透射电子显微镜原位实时记录待测单元在光照状态下的电学性质及光电效应诱发的物性改变，从原子尺度上解释待测单元的光电性能。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种光电性能可测的透射电镜样品杆，包括截面U形的外壳、设在U形外壳开口端的电路总控，以及设在外壳内的驱动筒、第一样品支撑台和第二样品支撑台，其中驱动筒具有压电陶瓷的一端与电路总控相连接，驱动筒的另一端设有第一样品支撑台，所述第一样品支撑台不与驱动筒接触的一端设置光阳极材料；所述第二样品支撑台设与第一样品支撑台相对设置，所述第二样品支撑台包括绝缘堵片、设在绝缘堵片上的金属电极、异质结发光源、连接台和第二堵片，其中绝缘堵片通过连接台与第二堵片固接，而第二堵片则通过卡槽固定在样品杆截面U形的外壳内闭口一端。

作为优选，该绝缘堵片正面设有至少3个独立的金属电极，反面则设有同样个数独立的金属电极，且绝缘堵片正反面对应的金属电极之间导通；所述异质结发光源的两极与绝缘堵片正面的两个金属电极连接。

作为优选，所述绝缘堵片对应金属电极的位置设有通孔，且该通孔沉积有金属薄膜将正反面对应的金属电极导通。

作为优选，所述绝缘堵片的材料采用蓝宝石或氮化铝。

进一步的，所述驱动筒能前后、上下、左右移动。

本发明还公开了利用所述的透射电镜样品杆原位构建太阳能电池的方法，步骤如下： 

(1) 采用电化学沉积和水热法制备纳米结构作为光阳极材料；

（2）使用直径为0.3 mm，纯度为99.999%的金丝作为装载光阳极的载体，轻蘸光阳极纳米材料，依靠范德瓦尔斯力粘附纳米结构光阳极材料，并用洗耳球吹掉大部分粘附不牢固的物质，随后装入原位样品杆第一样品支撑台。

（3）选用另一根金丝，连接绝缘堵片金属电极作为对电极；金丝上附着纳米材料作为对电极。

（4）通过操纵装入原位样品杆中的第一样品支撑台，使得光阳极与对电极两者界面接触，原位构建太阳电池结构。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：可以直接在透射电镜样品上原位构建太阳能电池，在原子分辨率尺度下研究太阳能电池，并且进行光伏特性测量；实现了在透射电镜中原位对纳米尺度的待测单元进行加光实验，并且进行电学测量以及观测，提供了一种新的基于纳米线或者薄膜的太阳能电池的原位测量方法，具有性能可靠，安装方便的特点，拓展了透射电镜的功能；可以同时制备多个待测单元，每个电极上都可以配置待测样品，所以可以实现同一批样品的多次光电特性测量，且每次测量之间互不影响。

附图说明

图1为本发明所述透射电镜样品杆的结构示意图；

图2为本发明所述第二样品支撑台的结构示意图。

其中，电路总控1、外壳2、驱动筒3、第一样品支撑台4、金属电极5、绝缘堵片6、连接台7、第二堵片8、光源底座9、异质结发光源10、金属引脚11、穿孔12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种光电性能可测的透射电镜样品杆，包括截面大致U形的外壳2、设在U形外壳2开口端的电路总控1，以及设在外壳2内的驱动筒3、第一样品支撑台4和第二样品支撑台。其中驱动筒3具有压电陶瓷的一端与电路总控1相连接，驱动筒3的另一端设有第一样品支撑台4。所述第一样品支撑台不与驱动筒3接触的一端设置光阳极材料；所述第二样品支撑台设与第一样品支撑台4相对设置，它包括绝缘堵片6、设在绝缘堵片6上的金属电极5、异质结发光源10、连接台7和第二堵片8，其中绝缘堵片6通过连接台7与第二堵片8固接，而第二堵片8则通过卡槽固定在样品杆截面大致U形的外壳2内闭口一端。工作时驱动筒3可以上下、左右、前后移动从而使得第一样品支撑台4上的光阳极材料与绝缘堵片6金属电极5进行界面接触形成原位电池。

如图2 所示，其中绝缘堵片6由具有一定强度的绝缘材料制成，如蓝宝石、氮化铝等，它的尺寸为4mm×2.4mm，并通过激光刻蚀方法在上面打出4个通孔12，并在通孔12的对应位置的正反面均通过磁控溅射方法沉积金、镍、铂等金属薄膜形成金属电极5，且通孔12内壁也沉积同样的导电金属薄膜从而将正反面的金属电极5进行导通。然后将异质结发光源10通过光源底座9固定在绝缘堵片6上，且异质结发光源10两极的金属引脚与其中两个金属电极5连接从而对光源进行供电。

利用本发明所述的透射电镜样品杆原位构建太阳能电池，并进行光电性能及显微结构的测试过程步骤如下：

(1) 采用电化学沉积和水热法制备ZnO、TiO₂、Nb₂O₅（包括但不限于）等纳米结构作为光阳极材料。

（2）使用直径为0.3 mm，纯度为99.999%的金丝作为装载光阳极的载体，轻蘸光阳极纳米材料，依靠范德瓦尔斯力粘附纳米结构光阳极材料，并用洗耳球吹掉大部分粘附不牢固的物质，随后装入原位样品杆第一样品支撑台4。

（3）选用另一根金丝，连接绝缘堵片6金属电极5作为对电极；金丝上宜可附着碳纳米管、铂金属颗粒、石墨烯（包括但不限于）等其他纳米材料作为对电极。

（4）通过操纵装入原位样品杆中的第一样品支撑台4，使得光阳极与对电极两者界面接触，原位构建太阳电池结构。

（5）开启原位样品杆异质结发光源10，利用电子衍射图、配合高分辨像分析电池工作时电极界面的晶体缺陷和表面结构等的变化；利用原位样品杆的原位操纵能力，改变界面接触方式、状态和不同接触位置，充分发掘界面结构上的丰富信息；将获得的界面信息和原位测得的电学性质进行关联性分析和研究。

（6）利用原位构建的纳米单体太阳能电池结构，以上述方法对其他电池组成要素进行系统优化研究工作。

Claims (5)

1.一种光电性能可测的透射电镜样品杆，其特征在于：包括截面为U形的外壳、设在U形外壳开口端的电路总控，以及设在外壳内带压电陶瓷的驱动筒、第一样品支撑台和第二样品支撑台，其中驱动筒具有压电陶瓷的一端与电路总控相连接，驱动筒的另一端设有第一样品支撑台，所述第一样品支撑台不与驱动筒接触的一端设置光阳极材料；所述第二样品支撑台设与第一样品支撑台相对设置，所述第二样品支撑台包括绝缘堵片、设在绝缘堵片上的金属电极、异质结发光源、连接台和第二堵片，其中绝缘堵片通过连接台与第二堵片固接，而第二堵片则通过卡槽固定在样品杆截面U形的外壳内闭口一端。

2.根据权利要求1所述的光电性能可测的透射电镜样品杆，其特征在于：所述绝缘堵片对应金属电极的位置设有通孔，且该通孔沉积有金属薄膜将正反面对应的金属电极导通。

3.根据权利要求2所述的光电性能可测的透射电镜样品杆，其特征在于：所述绝缘堵片的材料采用蓝宝石或氮化铝。

4.根据权利要求3所述的光电性能可测的透射电镜样品杆，其特征在于：所述驱动筒能前后、上下、左右移动。

5.一种利用如权利要求1-4任一所述的光电性能可测的透射电镜样品杆原位构建太阳能电池的方法，步骤如下： 

(1) 采用电化学沉积和水热法制备纳米结构作为光阳极材料；

（2）使用直径为0.3 mm，纯度为99.999%的金丝作为装载光阳极的载体，轻蘸光阳极纳米材料，依靠范德瓦尔斯力粘附纳米结构光阳极材料，并用洗耳球吹掉大部分粘附不牢固的物质，随后装入原位样品杆第一样品支撑台；

（3）选用另一根金丝，连接绝缘堵片金属电极作为对电极；金丝上附着纳米材料作为对电极；

（4）通过操纵装入原位样品杆中的第一样品支撑台，使得光阳极与对电极两者界面接触，原位构建太阳电池结构。

Images