CN104916781A - 一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，包括依次连接的：透明玻璃基底、透明前电极层、空穴传输层、电子给体层，电子受体层、电子传输层和背电极层；所述电子给体层的电子给体增加荧光给体作为添加剂，同时电子给体层的电子给体作为荧光受体间接接受添加剂吸收的能量，所述电子给体层的电子给体增加荧光给体后形成荧光共振能量转移层，所述荧光共振能量转移层和电子受体层形成活性层；该太阳能电池具有和双结叠层太阳能电池一样的宽波段吸收的效果，同时又避免了双结叠层太阳能电池需要引入一个新的电池单元所带来的复杂工艺，为最大限度地吸收太阳光光谱的能量提供了一种有效的结构。

Description

一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池器件，具体涉及一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池。
背景技术
随着化石能源的日益枯竭和其大量使用所带来的一系列社会及环境问题，可再生的清洁能源的开发和利用已经成为当下一个急需探索的课题。太阳能光伏发电技术和产品在全球范围内得到了高速增长，成为最具潜力的清洁能源。
如何高效地吸收各个波段的太阳光能量是太阳能电池面临的一个重大问题。由于太阳光光谱的能量分布较宽，而一般的染料分子仅有一个主吸收峰，只有这个主吸收峰附近的波段才是强吸收波段。理论上，多结叠层太阳能电池可以有效地解决这个问题。但是，叠层太阳能电池仍然存在着诸多问题，例如更繁琐的加工工艺，难以找到合适的中间层材料等等。
相比于多结叠层太阳能电池，单结太阳能电池的结构和工艺更加简单，成本更加低廉。通过合理的结构设计，单结太阳能电池也能高效地吸收各个波段的太阳光能量。光电转换的第一步是电子给体捕获光子而被激发，但是单个电子给体主要捕获波长位于其吸收峰附近的光子。为了最大限度地利用其他波长的太阳光能量，需要吸收峰有别于电子给体的添加剂来捕获其它波长的光子。同时，该添加剂捕获光子后还必须可以激发电子给体。
当一个荧光供体的发射光谱与一个荧光受体的激发光谱相重叠时，供体分子的激发可以诱发受体分子发出荧光，这种现象被称为荧光共振能量转移。通过检测受体分子发出的荧光来研究分子之间的相互作用的技术已经被广泛应用于细胞生理研究和免疫分析等领域。在共振能量转移过程中，处于激发态的荧光供体可以把一部分或全部能量转移给荧光受体，使荧光受体被激发。与光致发光材料激发相邻分子不同的是，在整个荧光共振能量转移过程中，不涉及光子的发射和重新吸收。通过选择合适的荧光供体作为添加剂，可以有效地拓宽作为荧光受体的电子给体的吸收波段，进而更加有效地利用太阳能。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，该太阳能电池具有和双结叠层太阳能电池一样的宽波段吸收的效果，同时又避免了双结叠层太阳能电池需要引入一个新的电池单元所带来的复杂工艺，为最大限度地吸收太阳光光谱的能量提供了一种有效的结构。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，包括依次连接的：透明玻璃基底、透明前电极层、空穴传输层、电子给体层，电子受体层、电子传输层和背电极；所述电子给体层的电子给体增加荧光给体作为添加剂，同时电子给体层的电子给体作为荧光受体间接接受添加剂吸收的能量，所述电子给体层的电子给体增加荧光给体后形成荧光共振能量转移层，所述荧光共振能量转移层和电子受体层形成活性层。
所述电子给体层的电子给体的材料采用吸收峰位于可见光长波长区间的材料。
所述荧光给体与电子给体的两个吸收峰相互叠加相互补充，形成了一个宽波段吸收谱组合，为最大限度地吸收太阳光光谱的能量提供了一种有效的结构。
所述荧光共振能量转移层产生电流的方法为：一部分光子直接被电子给体层的电子给体吸收并用于激发基态分子，另一部分光子则被荧光给体吸收，通过荧光共振能量转移间接激发电子给体层的电子给体的基态分子；在此过程中，电子给体层的电子给体一方面作为光子吸收材料直接接受能量，同时也作为荧光受体来间接接受能量；无论是直接激发还是间接激发的电子给体分子，都能够将电子传递给电子受体层，从而实现电子-洞穴分离，进而产生电流。
所述活性层采用平面双层异质结的结构。
所述荧光给体与电子给体间的距离小于10纳米，荧光给体与电子给体采用共混的单层结构。
所述共混的单层结构为量子点+酞菁的共混结构。
所述酞菁的吸收峰位于650-700纳米，而量子点采用吸收峰位于500-550纳米的材料。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明荧光共振能量转移层通过有效的能量转移，等于给电子给体层的电子给体材料变相引入了一个新的吸收峰，使得该太阳能电池具有和双结叠层太阳能电池一样的宽波段吸收的效果，同时又避免了双结叠层太阳能电池需要引入一个新的电池单元所带来的复杂工艺。为最大限度地吸收太阳光光谱的能量提供了一种有效的结构。
附图说明
图1是本发明所述太阳能电池的结构。
图2是本发明所述电池结构的一个实施范例。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明中一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，包括依次连接的：透明玻璃基底、透明前电极(正极)层、空穴传输层、电子给体层，电子受体层、电子传输层和背电极(负极)层；所述电子给体层的电子给体增加荧光给体作为添加剂，同时电子给体层的电子给体作为荧光受体间接接受添加剂吸收的能量，所述电子给体层的电子给体增加荧光给体后形成荧光共振能量转移层，所述荧光共振能量转移层和电子受体层形成活性层。
荧光共振能量转移过程中存在着能量损耗，因此一般情况下荧光给体的吸收峰相对于荧光受体吸收峰存在着蓝移(即波长更短，能量更高)。因而选取电子给体(即荧光受体)时，优选吸收峰位于可见光长波长区间的材料。
荧光共振能量转移是一种非辐射能量转移,此过程没有光子的参与。其强度与荧光给体-受体之间的距离有关。一般荧光共振能量转移要求这个距离小于10纳米。因此荧光给体与电子给体间的距离小于10纳米，荧光给体与电子给体层的电子给体采用共混的单层结构，而不是分离的平面双层结构。
进一步地，通过真空蒸镀得到的数十纳米厚的钙层则作为电子传输层,而继续真空蒸镀得到的数十纳米厚的铝层则作为电池的负极及保护层。本实施范例中的活性层、电子传输层以及电极材料所使用的原料均已经被广泛使用,因此在大规模工业化生产上有着巨大的潜力。
如图2所示，透明玻璃基底作为底座支撑整个太阳能电池，太阳光也从这一层开始入射。太阳能电池的正极采用ITO导电膜(氧化铟锡透明导电膜)，其可以通过溅射或者蒸发工艺镀在玻璃上。空穴传输层则采用已经被广泛使用的PEDOT:PSS高分子导电材料(3,4-乙撑二氧噻吩聚合物和聚苯乙烯磺酸盐的混合水溶液)。其膜厚可以由旋涂时的转速及溶液的溶度控制。
进一步地，所述活性层采用平面双层异质结的结构。其中荧光给体+电子给体这一层采用量子点+酞菁的共混结构。这一层应采用量子点和酞菁的混合溶液，通过例如旋涂或者卷对卷加工工艺得到他们的共混层。这其中酞菁的吸收峰一般位于650-700纳米，而量子点则优选吸收峰位于500-550纳米左右的材料。富勒烯衍生物则作为电子受体接受酞菁激发后产生的电子。
本发明的工作原理为：一部分光子直接被电子给体层的电子给体吸收并用于激发基态分子，另一部分光子则被荧光给体吸收，通过荧光共振能量转移间接激发电子给体层的电子给体的基态分子；在此过程中，电子给体层的电子给体一方面作为光子吸收材料直接接受能量，同时也作为荧光受体来间接接受能量；无论是直接激发还是间接激发的电子给体分子，都能够将电子传递给电子受体层从而实现电子-洞穴分离，进而产生电流。
以上所述仅为本发明的一个实施范例而已,并不用于限制本发明。对于本领域的专业技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，包括依次连接的：透明玻璃基底、透明前电极层、空穴传输层、电子给体层，电子受体层、电子传输层和背电极层；其特征在于：所述电子给体层的电子给体增加荧光给体作为添加剂，同时电子给体层的电子给体作为荧光受体间接接受添加剂吸收的能量，所述电子给体层的电子给体增加荧光给体后形成荧光共振能量转移层，所述荧光共振能量转移层和电子受体层形成活性层。
2.根据权利要求1所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述电子给体层的电子给体的材料采用吸收峰位于可见光长波长区间的材料。
3.根据权利要求1所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述荧光给体与电子给体层的两个吸收峰相互叠加，相互补充，形成了一个宽波段吸收谱组合，为最大限度地吸收太阳光光谱的能量提供了一种有效的结构。
4.根据权利要求1所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述荧光共振能量转移层产生电流的方法为：一部分光子直接被电子给体层的电子给体吸收并用于激发基态分子，另一部分光子则被荧光给体吸收，通过荧光共振能量转移间接激发电子给体层的电子给体的基态分子；在此过程中，电子给体层的电子给体一方面作为光子吸收材料直接接受能量，同时也作为荧光受体来间接接受能量；无论是直接激发还是间接激发的电子给体分子，都能够将电子传递给电子受体层，从而实现电子-洞穴分离，进而产生电流。
5.根据权利要求1所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述荧光共振能量转移层通过有效的能量转移，等于给电子给体层的电子给体材料变相引入了一个新的吸收峰，使得该太阳能电池具有和双结叠层太阳能电池一样的宽波段吸收的效果，同时又避免了双结叠层太阳能电池需要引入一个新的电池单元所带来的复杂工艺。
6.根据权利要求1所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述活性层采用平面双层异质结的结构。
7.根据权利要求1所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述荧光给体与电子给体层间的距离小于10纳米，荧光给体与电子给体层的电子给体采用共混的单层结构。
8.根据权利要求7所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述共混的单层结构为量子点+酞菁的共混结构。
9.根据权利要求8所述的一种采用共振能量转移层的宽波段太阳能电池，其特征在于：所述酞菁的吸收峰位于650-700纳米，而量子点采用吸收峰位于500-550纳米的材料。
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