CN109065722A - 一种基于热载流子的太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于热载流子的太阳能电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于热载流子的太阳能电池，包括第一导电电极，所述第一导电电极上依次设有电子传输层、第二导电电极、吸光层。本发明基于热载流子的基本理论和太阳能电池的工作机理，设计并制备了一种直接利用热电子工作产生光电流的太阳能电池。

Description

一种基于热载流子的太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，特别是涉及一种基于热载流子的太阳能电池及其制备方法。
背景技术
能源是社会进步和经济发展的重要支柱，由于传统的化石能源的使用造成了严重的环境污染，因此，发展清洁能源是可持续发展的必然要求。太阳能是一种清洁无污染的能源，作为太阳能利用的主要方式之一，太阳能电池近年来得到了大力的发展。
太阳能电池是基于光激发半导体产生载流子，载流子经过导带和价带的输运经过外电路形成回路，获得电能的一种光电转换装置。光的能量小于半导体的禁带宽度时不能被半导体吸收产生光电流。当光的能量高于半导体的禁带宽度时，光激发的电子的能量高于半导体的导带，但是传统的太阳能电池并不能直接利用该高能的电子。处于半导体的导带之上的高能激发电子会通过热驰豫过程释放多余的能量而回到半导体的导带。因此，在传统的太阳能电池中高能的热电子能量无法被利用，造成了一定的能量损失。设计制备有效的太阳能电池来利用热载流子的能量，一直是科研工作者的努力方向之一。但是由于热载流子的驰豫在皮秒的时间尺度，发生过程的时间极短，设计制备有效的热载流子电池一直是实验的难题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于热载流子的太阳能电池及其制备方法，用于解决现有技术中太阳能电池无法直接利用光激发的高能电子等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种基于热载流子的太阳能电池，包括第一导电电极，所述第一导电电极上依次设有电子传输层、第二导电电极、吸光层。
在本发明的实施例中，所述第一导电电极选自金属材料或透明导电玻璃。
在本发明的实施例中，所述金属材料选自金、银、铝或铜。
在本发明的实施例中，所述透明导电玻璃选自导电玻璃FTO或ITO。
在本发明的实施例中，所述电子传输层选自N型半导体材料。
在本发明的实施例中，所述第二导电电极选自金属材料或导电氧化物，金属材料具体可以为金、铂等。
在本发明的实施例中，所述吸光层选自具有光激发特性的半导体材料。
在本发明的实施例中，所述吸光层选自钙钛矿材料。
在本发明的实施例中，所述电子传输层的厚度为30～120nm。
在本发明的实施例中，所述第二导电电极的厚度为15～30nm。
在本发明的实施例中，所述吸光层的厚度为100～200nm。
本发明第二方面提供一种基于热载流子的太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
1)电子传输层层的制备：在第一导电电极上制备电子传输层；
2)第二导电电极的制备：通过磁控溅射在所述电子传输层上镀第二导电电极；
3)吸光层的制备：在所述第二导电电极上制备吸光层。
在本发明的一些实施例中，步骤1)中，所述第一导电电极选自导电玻璃FTO，所述电子传输层选自TiO2。
在本发明的一些实施例中，步骤1)中，按不同体积比将四异丙醇钛溶解在异丙醇和盐酸混合溶液中，制得两种溶液，其中，第一溶液中四异丙醇钛与混合溶液的体积比为7:100，第二溶液中四异丙醇钛与混合溶液的体积比为9:100，先将第一溶液旋涂在第一导电电极上，烘干后，再在基片上旋涂第二溶液，烧结，得到TiO2层。
在本发明的实施例中，步骤1)中，异丙醇与盐酸溶液的体积比为200:1，盐酸溶液浓度为37％。
在本发明的实施例中，步骤1)中，所述TiO2层厚度为30～120nm。
在本发明的实施例中，步骤1)中，第一溶液的旋涂条件为转速4000rpm，时间40s，第二溶液的旋涂条件为转速2000rpm，时间40s。
在本发明的实施例中，步骤1)中，第二溶液旋涂结束后，将基片在450℃下烧结30min。
在本发明的实施例中，步骤2)中，所述第二导电电极选自金，所述电子传输层上的镀金厚度为15～30nm。
在本发明的实施例中，步骤3)中，所述吸光层选自钙钛矿，具体是将PbI2和MAI溶解在DMF和DMSO的混合溶剂中，制备得到钙钛矿前驱体，将其旋涂在基片上，烘烤得到钙钛矿层。
在本发明的实施例中，步骤3)中，所述PbI2与MAI的摩尔比为1:1，形成的MAPbI3溶液浓度为1mol/L。
在本发明的实施例中，步骤3)中，所述DMF与DMSO的体积比为9:1。
在本发明的实施例中，步骤3)中，钙钛矿前驱体的旋涂程序分两步进行，第一步旋涂条件为转速400rpm，时间3s，第二步旋涂条件为转速3500～5000rpm，时间30s。
在本发明的实施例中，步骤3)中，旋涂结束后，对基片的烘烤分两次进行，第一次为温度45～60℃，时间2min，第二次为温度85～100℃，时间25min。
如上所述，本发明的一种热载流子电池及其制备方法，具有以下有益效果：本发明基于热载流子的基本理论和太阳能电池的工作机理，设计并制备了一种直接利用热电子工作产生光电流的太阳能电池。该电池实现了热电子的直接利用，成功实现了热载流子电池的工作，使得热载流子电池由理论到实验得到实质性的突破，对后续热载流子电池的设计和理论的发展具有重要的意义。
附图说明
图1显示为本发明实施例中热载流子电池的结构示意图。
图2显示为本发明实施例中热载流子电池的工作原理图。
图3显示为本发明实施例中热载流子电池的伏安特性图。
图4显示为本发明实施例中热载流子电池外量子效率图。
零件标号说明
1—第一导电电极(FTO)
2—电子传输层(TiO2)
3—第二导电电极(Au)
4—吸光层(perovskite)
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明的热载流子电池制备方法主要包括如下步骤：
1)在导电玻璃FTO制备一层TiO2作为电子传输层。
2)利用磁控溅射在TiO2渡一层金作为第二导电电极。
3)在第二导电电极上制备一层钙钛矿作为吸光层。
其工作机制为：光激发吸光层产生的热电子穿越第二导电电极注入到电子传输层的导带，注入的电子经由第一导电电极与第二导电电极同外电路相连形成导电回路，从而产生光电流。
实施例1
如图1所示的电池结构示意图，各层分别为1：第一导电电极(FTO)，2：电子传输层(TiO2)，3：第二导电电极(Au)，4：吸光层(perovskite)，其中导电玻璃FTO为购买的商业产品，其他各层的制备方法如下：
1)TiO2层的制备：按不同体积比将四异丙醇钛溶解在异丙醇和盐酸混合溶液中(异丙醇与37％盐酸溶液体积比为200:1)，制得两种溶液，四异丙醇钛与混合溶液的体积比为7:100，配制成第一溶液，四异丙醇钛和混合溶液的体积比为9:100，配制成第二溶液。两种溶液常温搅拌一小时后，先将第一溶液旋涂在清洗干净的FTO导电玻璃上，旋涂条件为转速4000rpm，时间40s，将旋涂好的基片110℃烘烤15min后，冷却至室温。再在基片上旋涂第二溶液，旋涂条件为转速2000rpm，时间40s。旋涂好的基片450℃烧结30min，获得致密的TiO2层，其厚度为100nm。
2)金电极的沉积：在旋涂好的TiO2上通过磁控溅射镀一层金，厚度约15nm。
3)钙钛矿层的制备：钙钛矿前躯体溶液由PbI2和MAI按照1：1的摩尔比配制得到，具体地，将461mg PbI2和159mg MAI溶解在1mL DMF和DMSO的混合溶剂中(DMF与DMSO的体积比9:1)，常温搅拌12小时备用。在手套箱中，在镀好金电极的基片上旋涂钙钛矿前驱体，形成钙钛矿薄膜，旋涂条件为转速400rpm，时间3s，转速5000rpm，时间30s。旋涂好的薄膜先60℃烘烤2min后，再85℃烘烤25min，获得约160nm厚的钙钛矿层。整个热载流子电池制备完成，制备完成的电池在AM1.5G模拟太阳光下测试该电池的伏安特性曲线，获得如图3所示的伏安特性曲线图。
热载流子电池的工作原理如图2所示，光激发钙钛矿材料产生光生载流子，钙钛矿材料价带中的电子吸收光子的能量跃迁到价带。当吸收的光子的能量大于钙钛矿材料的禁带宽度时，被激发的电子跃迁到价带底以上成为热载流子(过程①)。热载流子经过扩散和驰豫过程达到钙钛矿-金表面，这时仍处于热态的高能电子将越过钙钛矿-金界面的势垒注入到金中(过程②)，注入金的热电子扩散达到金-TiO2界面(过程③)，并注入到TiO2导带(过程④)，并被电极收集最终形成电流(过程⑤)，钙钛矿中的空穴传入金电极，与其中的电子发生复合(过程⑥)。如图3所示，基于上述热载流子工作的电池最终获得0.366V开路电压，5.304mA/cm2短路电流。由图4的外量子效率图可以看出，能量更高的紫外光部分获得更大的量子效率，这与图2中热载流子电池的工作模式相吻合。
综上所述，本发明制备得到一种与传统的三明治结构的太阳能电池结构完全不同的太阳能电池，该电池工作原理是基于光激发的钙钛矿材料，产生热电子通过金电极注入TiO2的导带，从而产生光电流。本发明获得了能产生可观电流的热载流子电池，该电池获得的电流密度为5.304mA/cm2。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于热载流子的太阳能电池，其特征在于，包括第一导电电极(1)，所述第一导电电极(1)上依次设有电子传输层(2)、第二导电电极(3)、吸光层(4)。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第一导电电极(1)选自金属材料或透明导电玻璃；优选地，所述金属材料选自金、银、铝或铜，所述透明导电玻璃选自导电玻璃FTO或ITO。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层(2)选自N型半导体材料，优选为TiO。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第二导电电极(3)选自金属材料或导电氧化物，优选地，所述金属材料选自金或铂。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述吸光层(4)选自具有光激发特性的半导体材料，优选为钙钛矿材料。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述电子传输层(2)的厚度为30～120nm。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于：所述第二导电电极(3)的厚度为15～30nm；和/或，所述吸光层(4)的厚度为100～200nm。
8.根据权利要求1-7任意一项所述太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)电子传输层层的制备：在第一导电电极上制备电子传输层；
2)第二导电电极的制备：通过磁控溅射在所述电子传输层上镀第二导电电极
3)吸光层的制备：在所述第二导电电极上制备吸光层。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述第一导电电极选自导电玻璃FTO，所述电子传输层选自TiO2。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，按不同体积比将四异丙醇钛溶解在异丙醇和盐酸混合溶液中，制得两种溶液，其中，第一溶液中四异丙醇钛与混合溶液的体积比为7:100，第二溶液中四异丙醇钛与混合溶液的体积比为9:100，先将第一溶液旋涂在第一导电电极上，烘干后，再在基片上旋涂第二溶液，烧结，得到TiO2层；优选地，第一溶液的旋涂条件为转速4000rpm，时间40s，第二溶液的旋涂条件为转速2000rpm，时间40s，第二溶液旋涂结束后，将基片在450℃下烧结30min；
和/或，步骤2)中，所述第二导电电极选自金，所述电子传输层上的镀金厚度为30～120nm；
和/或，步骤3)中，所述吸光层选自钙钛矿，具体是将碘化铅(PbI2)和碘甲胺(MAI)溶解在N-N-2甲基甲酰胺(DMF)和二甲基亚砜(DMSO)的混合溶剂中，制备得到钙钛矿前驱体，将其旋涂在基片上，烘烤得到钙钛矿层，优选地，所述PbI2与MAI的摩尔比为1:1，所述DMF与DMSO的体积比为9:1，形成的MAPbI3溶液浓度为1mol/L；
和/或，步骤3)中，钙钛矿前驱体的旋涂分两步进行，第一步旋涂条件为转速400rpm，时间3s，第二步旋涂条件为转速3500～5000rpm，时间30s；
和/或，步骤3)中，旋涂结束后，对基片的烘烤分两次进行，第一次为温度45～60℃，时间2min，第二次为温度85～100℃，时间25min。
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