CN112017867B - 一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法。所述元件由具有光电转换特性的染料太阳能电池阵列构成；所述电池阵列由多个含不同染料的电池单元通过共用同一基板并形成高密度特定形状或图案化平行排列结构；所述电池单元的光电转换特性仅通过所用染料加以调控，使所述电池阵列中处于不同位置的电池单元对紫外到红外范围内的全部波段或部分波段入射光具有连续、特定的光电响应，从而获得由特定序列的光电流或开路电压组成的电信号集，记录并导出该电信号集。该元件具有低功耗、光电信号转换一体化、感光范围广且灵活可调等特点，在光电检测、生物医用等多个涉及光电能量相互转换的领域有重要应用前景。

Description

一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法

【技术领域】

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法。

【背景技术】

传统的光电转换元件主要是电耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)。这些元件通常是采用特定的同种半导体材料通过复杂的微纳集成加工工艺制备而成，由于构成的每个感光像素对外界的光刺激均有相同的光电响应，并不具有光谱分辨能力。目前具有有限光谱分辨能力的光电元件，如彩色CCD所采用的方法是在CCD前端额外增加一个RGB滤光阵列，使其采集滤光后的不同光信号并转换成电信号输出。但此方法的光谱分辨能力极其有限(仅RGB三通道)，制备工艺要求与制备成本非常高，且会显著降低光通量。

现有光谱分辨能力较高的技术或器件(如光谱设备)，通常都是基于前端的光学调制系统配合传统的光电器件完成。光学调制主要通过空间或时间的方式对光进行分解，从而使整体具有光谱分辨能力。其结构相对复杂，同样对制备工艺要求很高，且会显著降低光通量。近年来新型的一种微型光谱技术，它将复杂的滤光阵列置于传统CCD前端并结合算法，获得分光与光电转换的效果。但此类技术没有从本质上改变对传统光电元件的依赖，复杂的滤光阵列仍需要较高的制作工艺技术和成本，同时因为滤光片而损失的大量光信号的问题也没有得到有效改善。最近由《Science》期刊发布的一篇文章，介绍了通过纳米线半导体材料改进的微型光谱设备，该技术从一定程度上解决了光信号损失的问题，摆脱了传统光电器件的束缚，并达到了体积的极小化。但该技术在前端材料的制备上有非常大的局限性。普通纳米线的制备尚且不能大批量工业化生产，在此微型光谱设备中用到的具有掺杂渐变特殊性的纳米线更是只能在特定的实验条件下合成，这一问题使得该技术离产业化尚有一定距离。

因此开发一种具有光谱分辨能力的，不依赖于传统光电转换元件的，可微型化的，且从材料制备到元件集成都适合于大规模量产的光电转换元件，能从根本上给现有的相关技术和应用带来一次革命性变化。

近年来，基于量子点、钙钛矿和有机半导体染料等染料构建的新型太阳能电池得到迅猛发展并引起广泛关注。根据美国可再生能源实验室(NREL)2020年6月发布的太阳能电池认证效率图表可知，量子点电池和钙钛矿电池分别达到了16.6％和25.2％的光电转换效率，在大幅推进其光伏产业化进程的同时，也为其今后在光电探测、生物医学等多领域应用奠定了重要基础。尤其是卤化物钙钛矿优异的光物理性质以及量子点的量子尺寸效应和多激子效应，使它们在紫外至红外波段内有强的光吸收和宽范围灵活可调的带隙，这为集成多种光响应材料构建太阳能电池阵列并应用于众多领域提供了理论基础。同时，与面向光伏产业化需要开发大面积模块化太阳能电池所不同的是，微小的电池单元制备技术已经非常成熟。这为构建由多种不同光电转换特性的高效微小电池单元组成的太阳能电池阵列提供了制备基础。

然而在所述太阳能电池阵列构建过程中，以下问题仍需重点考虑和解决：①相比制备由多个相同电池单元构成的模块，将多种不同电池单元集成于同一阵列增加了制备工艺难度和复杂度，同时电池阵列的电路设计及其信号读取也面临挑战；②器件稳定性及封装问题：例如一些光物理性质优异的铅基或锡基卤化物钙钛矿吸光材料在用于构建高效电池器件的同时面临稳定性问题，它们对水、氧非常敏感而易发生分解或氧化现象大幅降低器件性能与寿命；例如染料/量子点敏化太阳能电池仍以液态电解质为主，存在的易泄漏、挥发问题同样对封装技术有更高要求。

在本发明中，为了实现在上述新型光电转换元件的变革，我们基于太阳能电池阵列提出了一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法，同时解决了在电池阵列制备问题中潜在的问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法，可用于分析光谱信息，具有低功耗、光电信号转换一体化、感光范围广且灵活可调等特点，在光电检测、生物医用等多个涉及光电能量相互转换的领域有重要应用前景。

本发明提供一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件，所述元件由具有光电转换特性的染料太阳能电池阵列构成：

所述电池阵列由多个含不同染料的电池单元通过共用同一基板并形成高密度特定形状或图案化平行排列结构；

所述电池阵列仅通过对每个电池单元内使用不同染料来实现不同的光电转换特性，使所述电池阵列中不同位置的电池单元对紫外到红外范围内的全部波段或部分波段入射光具有连续、特定的光电响应，从而获得由特定序列的光电流或开路电压组成的电信号集，记录并导出该电信号集。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述染料为量子点、钙钛矿半导体和有机半导体染料中的一种或多种。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述染料的不同光电转换特性通过染料的尺寸或化学组分的调控实现。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电池单元为三明治结构的敏化太阳能电池或层层堆叠的薄膜太阳能电池。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电池单元的结构由下至上依次包括透明绝缘下基板、下基板导电层、电子传输层、染料吸光层、空穴传输层、背电极、上基板导电层和绝缘上基板。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述染料设置在电池单元的染料吸光层内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电池阵列还包括下基板导电网络和上基板导电网络，所述下基板导电网络设置在若干太阳能电池单元下方，所述上基板导电网络设置在若干太阳能电池单元上方，所述若干太阳能电池单元一端通过下基板导电网络连接绝缘下基板，另一端通过上基板导电网络连接绝缘上基板。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，每个所述太阳能电池单元均为相同厚度，所述下基板导电网络和上基板导电网络的表面均包覆有绝缘保护薄层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种具有光谱分辨能力的电信号输出方法，所述电信号输出方法通过所述下基板导电网络延伸至所述电池单元的透明导电层内一定区域形成接触点，从而将多个电池单元连接起来或将电池单元的电极引出至所述电池阵列的透明下基板边缘或侧面，最后通过所述引出电极进行光电流或开路电信号集的读取输出。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1、本发明设计构建的染料太阳能电池阵列集成了多种包含不同染料的太阳能电池单元并在同一基板上形成特定形状或图案化的密集平行排列，尤其是充分利用了光物理性质优异的半导体钙钛矿以及带隙宽范围精确可调的量子点作为染料，使所述电池阵列中不同位置的电池单元对紫外到红外范围内的全部波段或部分波段入射光具有连续、特定的光电响应，从而获得由特定序列的光电流或开路电压组成的电信号集，记录并导出该电信号集，可用于分析入射光的光谱信息，从而进一步地适应用于众多领域。

2、本发明设计构建的染料太阳能电池阵列除了可用于构建大尺寸供电模块外，在向小型化、微型化以及柔性器件发展方面展现出更突出的优势，利用其光电转换一体的特性开发多领域交叉应用。同时由于染料太阳能电池模块的产业化发展迅速，本发明涉及的电池阵列也将受益于此。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例一的染料太阳能电池阵列俯视平面示意图与侧视示意图；

图2为本发明实施例一的三明治结构敏化太阳电池单元的结构示意图：

其中，10、透明绝缘下基板；20、下基板导电层；30、电子传输层；40、染料；50、空穴传输层；60、背电极；70、上基板导电层；80、上基板；

图3为本发明实施例一的染料太阳能电池阵列上基板的导电网格及表面导电区域的电子传输层示意图；

图4为本发明实施例一的染料太阳能电池阵列中电子传输层表面吸附多种不同光响应染料的示意图；

图5为本发明实施例一的染料太阳能电池阵列下基板的导电网格及表面导电区域的对电极示意图；

图6为本发明实施例一中的染料太阳能电池阵列示意图；

图7为本发明实施例一中的绝缘隔层图案示意图；

图8为本发明实施例一中的染料太阳能电池阵列侧视剖面图；

图9为本发明实施例二中的染料太阳能电池单元的结构示意图：

其中，10、透明下基板；20、下基板导电层；30、电子传输层；40、染料；50、空穴传输层；60、背电极；70、上基板导电层；80、上基板。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件及方法，其可被应用于涉及到低能耗光电检测器件等多个领域。

所述具有光谱分辨能力的电信号输出元件由染料太阳能电池阵列构成，其结构包括一透明绝缘下基板、下基板导电网络、多个具有不同光电转换特性的染料太阳能电池单元、绝缘上基板和上基板导电网络；所述染料为量子点、钙钛矿半导体或有机半导体染料中的一种或多种。

其中，所述电池阵列中所有电池单元均位于同一透明绝缘下基板的上表面，并基于其光电转换特性形成特定形状或图案化的高密度平行排列，所述图案化的平行排列和特定形状的高密度排列为互相独立的组成结构，特定形状的高密度排列指的是阵列的外部形状，图案化的平行排列指的是染料的特定排布所形成的图案。

其中，所述下基板可选用刚性材料或柔性材料，如选用柔性材料则其可在三维空间内可实现拉伸、弯曲、折叠、扭曲或其他适应性形变。

其中，所述下基板导电网络分布在所述下基板上表面，并延伸至所述电池单元的透明导电层内一定区域形成接触点，从而将各电池单元的电极引出。

其中，灵活调整所述下基板导电网络的分布方式，使其既可直接将各电池单元的电极引出至所述透明基板一侧边缘或侧面，亦可实现某几个电池单元的串并联连接。

其中，在所述下基板导电网络表面包覆绝缘保护薄层，避免电池单元制备过程中对所述导电网格线的破坏。

其中，所述染料太阳能电池单元为三明治结构的敏化太阳能电池或层层堆叠的薄膜太阳能电池；所述电池单元结构中包含透明导电层、电子传输层、染料吸光层、空穴传输层、背电极。

其中，在同一所述电池阵列中所有电池单元具有相同的电池结构，并且除染料吸光层外的其余部分均完全相同。

其中，所述电池阵列中所有电池单元的染料吸光层均采用相同的制备条件和厚度，不同电池单元之间的光电响应特性差异仅通过调控染料的尺寸或化学组分实现。

其中，所述电池阵列中所有电池单元的透明导电层、电子传输层、空穴传输层、背电极分别进行统一制备，根据所述电池单元的分布区域预先定制掩模板用以协助上述各层的制备；染料吸光层的制备则首先对各电池单元位置进行编号定位，并采用定位滴涂、定位喷墨打印、定位喷涂、定位丝网印刷等方法将相应成分的染料沉积在指定位置。

其中，特别地，所述电池单元的空穴传输层如选用液态电解质，则电池单元可通过两种方式进行制备：1)首先在液态电解质中添加增稠剂或凝胶剂获得准固态或凝胶状电解质，随后将其涂敷在背电极表面进行电池单元的制备；2)借助塑封材料在电子传输层/染料吸光层与背电极之间构筑密闭空间，随后打孔进行电解质的灌注。

在所述绝缘上基板表面分布有与各个所述电池单元背电极位置一一对应且面积相近的导电层区域及延伸出的导电网络线，该导电层与导电网格线为同一种材料且厚度相同；所述下基板导电网络线的作用是将各电池单元背电极引出或连接不同电池单元，其表面同样包覆有绝缘保护薄层。

在上基板分布有导电层和导电网格线的一面与各电池单元背电极一侧之间置入一热塑性膜，所述热塑性膜厚度需与略大于所述电池单元及上基板导电层厚度之和或与之相近，并且所述热塑性膜在与背电极接触的区域面积处是镂空的，从而可以通过热压方式使上基板导电层与各电池单元背电极一侧紧密贴合。

所述热塑性膜可选用但不限于EVA(由乙烯和乙烯基醋酸盐组成)热熔胶膜、TPU(聚氨酯)热熔胶膜、PA(共聚酰胺)热熔胶膜、PES(共聚酯)热熔胶膜等热熔胶膜，具体根据电池单元所能承受温度、热塑性膜熔点及压烫条件等加以选择。

在所述电池阵列边缘的上基板与下基板之间通过有机硅胶进行密封，使内部所有电池单元与大气隔绝，避免大气中水、氧等对电池单元的破坏。

实施例1：

如图1所示，本实施例的染料太阳能电池阵列由10×10个太阳能电池单元组成，所述染料选用量子点，所述电池单元为量子点敏化太阳能电池。如图2所示，电池单元结构自下向上依次包括：下基板10，下基板导电层20，电子传输层30，量子点吸光层40，空穴传输材料或电解质50，背电极60，上基板导电层70，上基板80。

如图2所示，所有的电池单元共用同一个下基板10和上基板80，电池阵列的尺寸根据实际应用灵活调整。下基板选用透明绝缘基底材料，包括但不限于玻璃、塑料、高分子材料。在下基板上表面制备10×10个导电层区域20，该导电层材料包括但不限于FTO(掺氟的氧化锡)或ITO(掺氟的氧化铟)。例如可通过激光刻蚀FTO导电玻璃获得所述下基板及导电层区域。

如图3所示，在下基板表面制备导电网络11，所述导电网络延伸至导电层区域内形成接触点12，从而将每列10个导电层单元并联起来。导电网络11最终引出至下基板侧面，根据不同的应用需求，下基板表面的10根导电网格线可以单独引出或汇总成一个总电极引出。

所述导电网络的制备可以使用银、铜、锌等各种高导电的金属或合金材料，通过丝网印刷、打印、喷涂、溅射等方法制备。例如使用导电银浆制备导电网络，则通常需要在不破坏电池阵列其他部分的温度下进行烧结以提高其导电性及与下基板的连接牢固性。考虑导电网络在下基板的分布面积与导电连接性，导电网络线的宽度一般在0.5-5mm之间，厚度一般在1nm至1mm之间。

如图3所示，在下基板每个导电层区域内制备电子传输层30，电子传输层材料可以是金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物、金属硒化物等，优选地，电子传输层材料可以是TiO₂、SnO₂、ZnO、GaN中的一种或多种组合使用。所述电子传输层可通过丝网印刷、旋涂、喷涂、打印、溅射等方法制备，为厚度在1nm至100μm范围的多孔膜。若需要高温烧结，需保证不超过下基板、下基板导电层、导电网络可承受的温度；若烧结温度超过导电网络可承受温度，则可调换电子传输层与导电网络的制备顺序。

如图4所示，在所述电子传输层表面沉积量子点吸光层40，下基板的每个电子传输层区域表面可以沉积一种或多种不同光响应特性的混合量子点，例如所述混合量子点可以是多种不同粒径CdSe量子点的混合或者CdS与CdSe等不同化学组分的量子点混合。不同电池单元之间选用的是不同光响应波段的量子点并在电池阵列中形成特定分布，例如图4中标注的不同量子点41、42、43。

量子点材料可以是：CdS、CdSe、PbS、CuInS₂、CdSeTe、CuInSe₂等传统金属硫属化物量子点或由多种量子点构成的核壳量子点，例如CdSe@CdTe、CuInS₂@CdS等；碳量子点；包括但不限于CH(NH₂)PbI₃、CsPbI₃、CsPbIBr₂、CsSnI₃、CsGeI₃等金属卤化物钙钛矿量子点。

量子点吸光层可通过多种方法沉积在电子传输层表面，由于电池单元之间选用了不同量子点，因此常用的化学浴沉积、连续离子层吸附反应、电沉积等原位沉积方法不再适用。可预先对电池阵列中各电池单元位置进行编号，然后通过定位打印、定位喷涂、定位丝网印刷等方法将预先制备的单分散量子点溶液置于各对应电池单元的电子传输层上，量子点则借助物理或化学吸附沉积在电子传输层表面并可在几个小时内完成饱和吸附，随后冲洗掉未被吸附的残余物质并吹干即可完成。

如图5所示，在上基板80表面同样存在10×10个导电层区域70，其位置与下基板导电层分布一一相对应。上基板可选取透明材料或非透明材料，例如同样可通过激光刻蚀FTO导电玻璃获得上基板及导电层区域。

如图5所示，采用与下基板相似的方法，在上基板表面制备导电网络81，通过接触点82将每列10个导电层并联起来。导电网络线81最终引出至上基板侧面，根据具体应用需求，下基板表面的10根导电网络线可以单独引出或汇总成一个总电极引出。

特别地，上基板和下基板的导电网络表面均涂附超薄绝缘密封层作为保护层。

如图5所示，在上基板的导电层区域内制备背电极60。所述背电极以膜、金属网或其他形式存在的具有电催化活性的材料，可使用贵金属、导电聚合物、碳、无机金属化合物以及它们的复合材料进行制备。例如，可以将CuS纳米管与乙炔黑混合后加入粘结剂和溶剂制成浆料，并在上基板导电区域涂附成膜，经烘干后获得CuS/C复合对电极。

如图6所示，电解质夹在电子传输层及量子点吸光层与背电极之间形成三明治结构，可选用液态电解质、准固态电解质或液态电解质。其中，准固态和固态电解质可直接涂附在背电极表面；若使用液态电解质，则需则首先需要将下基板/电子传输层/量子点吸光层与上基板/背电极面对面一一对应放置并封装形成密闭空间，液态电解质则通过打孔灌注在此密闭空间内。

上下基板表面的导电网络线可以分布在各电池单元的同侧，也可以分布在异侧，图6展示了分布在异侧的情况。

如图7所示，为避免电子传输层与背电极直接接触发生短路，同时避免因电解质流动性造成相邻电池单元之间相互影响，可以在上基板和下基板之间置入一绝缘隔层90。该绝缘隔层根据上基板和下基板导电层分布位置，设置了10×10个镂空区域91，该镂空区域面积等于或略大于上基板和下基板导电层区域面积。该绝缘隔层厚度需大于下基板导电层与电子传输层厚度之和，并且大于上基板导电层与背电极的厚度之和。

导电网格线表面的保护层需保证不与电解质发生反应。

可以在透明的下基板外侧覆盖减反层，如果上基板也选用了透明材料则在其外侧覆盖反射层，提高太阳光利用率。所述反射层可以使用金属、氧化物等具有反射能力的材料，反射层的反射率在10-100％范围内。

从上述制备完成的染料太阳能电池阵列的引出电极处可以进行光电流或开路电压信号数据读取与转换。在进行信号读取时，通过调整导电网络线分布，可以实现对各电池单元进行单独读取，也可以将电池阵列中电池单元划分为若干个组元，每个组元内各个电池单元经串并联连接后进行数据统一读取。

实施例2：

本实施例的染料太阳能电池阵列由100个基本固态染料薄膜太阳能电池单元组成，如图7所示，电池单元的结构自下向上依次包括：下基板10、下基板导电层20、电子传输层30、染料吸光层40、空穴传输材料50、背电极60、上基板导电层70、上基板80。同一阵列中所有电池单元均制备于同一下基板上表面，电池阵列的尺寸则根据实际应用需求调整。上基板选用透明绝缘材料，包括但不限于玻璃、塑料、高分子材料。同实施例1，首先在上基板表面10×10个电池单元对应位置制备导电层，该导电层材料包括但不限于FTO(掺氟的氧化锡)或ITO(掺氟的氧化铟)。例如可通过激光刻蚀FTO导电玻璃获得所述上基板及导电层区域。

如图2所示，在上基板表面制备导电网络11，所述导电网络延伸至各电池单元导电层区域内形成接触点12，从而将每列10个导电层单元并联起来。该导电网络11最终引出至基板侧面。根据不同的应用需求，上基板表面的10根导电网络线可以单独引出或汇总成一个总电极引出。

所述导电网络的制备可以使用银、铜、锌等各种高导电的金属或合金材料，通过丝网印刷、打印、喷涂、溅射等方法制备。例如使用导电银浆制备导电网络，则通常需要在不破坏电池阵列其他部分的温度下进行烧结以提高其导电性及与下基板的连接牢固性。考虑导电网络在下基板的分布面积与导电连接性，导电网络线的宽度一般在0.5-5mm之间，厚度一般在1nm至1mm之间。

如图2所示，在下基板每个导电层区域内制备电子传输层30，电子传输层材料可以是金属氧化物、金属氮化物、金属硫化物、金属硒化物、富勒烯及其衍生物等，优选地，电子传输层材料可以是TiO₂、SnO₂、ZnO、GaN中的一种或多种组合使用。所述电子传输层可通过丝网印刷、旋涂、喷涂、打印、溅射等方法制备，其厚度在1nm至100μm之间。若需要高温烧结，需保证不超过下基板、下基板导电层、导电网络可承受的温度；若烧结温度超过导电网络可承受温度，则可调换电子传输层与导电网络的制备顺序。

如图3所示，在所述电子传输层表面制备染料吸光层40，所述染料可以是：CdS、CdSe、PbS、CuInS₂、CdSeTe、CuInSe₂等传统金属硫属化物量子点或由多种量子点构成的核壳量子点，例如CdSe@CdTe、CuInS₂@CdS等；碳量子点；金属卤化物钙钛矿ABX₃，其中A通常为CH₃NH₃ ⁺(MA⁺)、CH(NH₂)²⁺(FA⁺)、Cs⁺等离子，B通常为Pb²⁺、Sn²⁺、Ge²⁺等金属阳离子，X通常为Cl^-、Br^-、I^-等卤素离子，也可以是金属卤化物双钙钛矿，具体包括但不限于MA_xFA_1-xPbX₃、CsPbX₃、Cs_xFA_1-xPbX₃、CsSnX₃、CsGeX₃、CsPb_xSn_1-xX₃、CsPb_xGe_1-xX₃、CsSn_xGe_1-xX₃、Cs₂AgBiBr₆等；有机半导体染料，包括钌类和卟啉类金属配合物染料，以及吲哚啉类、咔唑类、吩噻嗪类、三苯胺类、芴类等有机非金属染料。

每个电池单元的染料吸光层可以包含一种染料或多种光响应波段染料的混合，也可以由多层不同染料层堆叠构成。并且，不同电池单元之间各自选用不同光响应波段的染料，例如图4中标注的不同染料41、42、43，并根据应用需求在上基板10×10个电子传输层单元表面形成特定分布。

根据所用染料种类选择合适的方法制备染料吸光层，可选用的制备方法包括但不限于化学浴沉积、连续离子层吸附反应、电沉积、物理或化学吸附、喷涂、打印、旋涂等方法。例如，所有电池单元均使用量子点作为染料，优选地，将预先准备好的量子点溶液通过定位打印或喷涂的方式沉积于各电池单元电子传输层上方，用选取合适溶剂清洗表面残留物。染料吸光层厚度由量子点溶液浓度和沉积层数共同决定，厚度范围在1nm至100μm。此外，根据所选量子点性质可能需要对吸光层进行加热或吹干处理。

如图9所示，在染料吸光层上表面制备空穴传输材料50，所述空穴传输材料可选取有机材料、无机材料、有机-无机杂化材料，例如CuSCN、P3HT、Spiro-OMeTAD、CuInSe₂、CuInS₂、三苯胺有机小分子等。空穴传输材料可通过喷涂、打印、旋涂等方法制备，其厚度范围在1nm至100μm。

如图4所示，在上基板80表面同样存在10×10个与电池单元位置对应的导电层区域70。上基板可选取透明材料或非透明材料，例如同样可通过激光刻蚀FTO导电玻璃获得上基板及导电层区域。

如图4所示，采用与下基板相似的方法，在上基板表面制备导电网络81，通过接触点82将每列10个导电层并联起来。导电网络线81最终引出至下基板侧面，根据不同的应用需求，上基板表面的10根导电络线可以单独引出或汇总成一个总电极引出。

特别地，上基板和下基板的导电网格线表面均涂附超薄绝缘密封层作为保护层。

如图9所示，背电极60既可以直接在空穴传输材料上表面制备，也可以制备于下基板80表面的导电层70表面，这两种制备方式都需确保电池单元中的各层之间保持良好的界面接触。

所述背电极以膜、金属网或其他形式存在的具有电催化活性的材料，可使用贵金属、导电聚合物、碳、无机金属化合物以及它们的复合材料进行制备。

如果将背电极直接制备于空穴传输材料上表面，例如在空穴传输材料上蒸镀Au电极，则可借助导电银浆将Au电极与下基板导电层连接起来，形成良好的欧姆接触；如果背电极制备于下基板导电层区域，例如将具有热塑性的碳电极直接制备在下基板导电层上，则可借助其热塑性以热压的方式实现空穴传输材料与碳电极的良好接触。

从上述制备完成的染料太阳能电池阵列的引出电极处可以进行光电流或开路电压信号数据读取与转换。在进行信号读取时，通过调整导电网络线分布，可以实现对各电池单元进行单独读取，也可以将电池阵列中电池单元划分为若干个组元，每个组元内各个电池单元经串并联连接后进行数据统一读取。

以上对本申请实施例所提供的一种具有高光谱分辨能力的电信号传输元件，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (3)

1.一种具有光谱分辨能力的电信号输出方法，其特征在于，所述方法通过一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件进行输出，所述元件由具有光电转换特性的染料太阳能电池阵列构成：

所述电池阵列由多个含不同染料的电池单元通过共用同一基板并根据应用需求形成高密度特定形状或图案化平行排列结构，所述电池阵列中所有电池单元具有相同的电池结构，并且除染料吸光层外的其余部分均完全相同,所述图案化的平行排列和特定形状的高密度排列为互相独立的组成结构，特定形状的高密度排列指的是阵列的外部形状，图案化的平行排列指的是染料的特定排布所形成的图案；

所述电池阵列仅通过对每个电池单元内使用不同染料来实现不同的光电转换特性，使所述电池阵列中不同位置的电池单元的相同入射光具有连续、特定的光电响应，从而获得由特定序列的光电流或开路电压组成的电信号集，记录并导出该电信号集，该相同入射光为包含紫外到红外范围内的全部波段或部分波段入射光；

所述染料包括量子点、钙钛矿半导体或有机半导体染料中的一种或多种；

所述电池单元为三明治结构的敏化太阳能电池或层层堆叠的薄膜太阳能电池，所述电池单元的结构由下至上依次包括透明绝缘下基板、下基板导电层、电子传输层、染料吸光层、空穴传输层、背电极、上基板导电层和绝缘上基板，所述染料设置在电池单元的染料吸光层内，每个所述电池单元均为相同厚度；

所述电池阵列还包括下基板导电网络和上基板导电网络，所述下基板导电网络设置在若干太阳能电池单元下方，所述上基板导电网络设置在若干太阳能电池单元上方，所述若干太阳能电池单元一端通过下基板导电网络连接透明绝缘下基板，另一端通过上基板导电网络连接绝缘上基板，所述下基板导电网络和上基板导电网络的表面均包覆有绝缘保护薄层；

所述元件制备方法如下：

所有电池单元的透明导电层、电子传输层、空穴传输层、背电极分别进行统一制备，根据所述电池单元的分布区域预先定制掩模板用以协助上述各层的制备；

染料吸光层的制备则首先对各电池单元位置进行编号定位，并采用定位滴涂、定位喷墨打印、定位喷涂或定位丝网印刷方法将相应成分的染料沉积在指定位置；

所述电池单元的空穴传输层选用准固态电解质或液态电解质，其中，准固态直接涂附在背电极表面；若使用液态电解质，则需则首先需要将下基板/电子传输层/量子点吸光层与上基板/背电极面对面一一对应放置并封装形成密闭空间，液态电解质则通过打孔灌注在此密闭空间内；

在所述绝缘上基板表面分布有与各个所述电池单元背电极位置一一对应且面积相近的导电层区域及延伸出的导电网络线，该导电层与导电网格线为同一种材料且厚度相同；所述下基板导电网络线的作用是将各电池单元背电极引出或连接不同电池单元，其表面同样包覆有绝缘保护薄层；

在上基板分布有导电层和导电网格线的一面与各电池单元背电极一侧之间置入一热塑性膜，所述热塑性膜厚度需与略大于所述电池单元及上基板导电层厚度之和或与之相近，并且所述热塑性膜在与背电极接触的区域面积处是镂空的，从而通过热压方式使上基板导电层与各电池单元背电极一侧紧密贴合；

在所述电池阵列边缘的上基板与下基板之间通过有机硅胶进行密封，使内部所有电池单元与大气隔绝，避免大气中水、氧对电池单元的破坏；

从上述制备完成的染料太阳能电池阵列的引出电极处进行光电流或开路电压信号数据读取与转换，在进行信号读取时，通过调整导电网络线分布，实现对各电池单元进行单独读取；

或通过调整导电网络线分布，将电池阵列中电池单元划分为若干个组元，每个组元内各个电池单元经串并联连接后进行数据统一读取。

2.根据权利要求1所述的电信号输出方法，其特征在于，所述染料的不同光电转换特性通过染料的尺寸或化学组分的调控实现。

3.一种具有光谱分辨能力的电信号输出元件，其特征在于，所述电信号输出元件用于实现上述权利要求1-2之一所述的电信号输出方法。

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