CN116368954A - 采用绝缘层的超薄等离子体光伏 - Google Patents

采用绝缘层的超薄等离子体光伏 Download PDF

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Abstract

一种用于具有增加的整体效率的直接等离子体光伏电池的电荷生成组件，包括作为电子传输层(1)(ETL)的n型半导体层、金属等离子体纳米颗粒层(2)、在n型半导体和金属等离子体纳米颗粒层之间的绝缘层(4)以及作为空穴传输层(3)(HTL)的p型半导体层。

Description

采用绝缘层的超薄等离子体光伏
本公开内容涉及电荷生成组件以及其在光伏领域中的用途及其制造方法。
光伏系统是使用光转化为电的过程的系统。光可能来自太阳或任何人造源。光伏电池的已知实例是太阳能电池，其中太阳光被转换成电，这在过去几年中已经引起了越来越多的兴趣。
存在许多不同种类的常规光伏(太阳能电池)，其中硅电池是最熟知的，但是还存在有机太阳能电池、薄膜太阳能电池(例如，CIGS、CdTe)、钙钛矿太阳能电池等。与常规光伏不同，直接等离子体太阳能电池构成了最新的光伏技术，该光伏技术在它吸收光和产生电荷的方式上不同于所有其他技术。
在常规的光伏技术中，当光子被活性材料吸收时，一定量的能量被消耗以将电子从占据的电子能级激发到空能级，并且该电子变成负责电池生成的电流。对于给定的材料，需要特定量的能量来激发(“踢出”)电子，其通常被标记为能隙或带隙。如果光子的能量低于所需的能量，则没有电子将被它激发，并且如果光子具有多余的能量，则该多余的能量将作为热量被浪费。一种特殊类型的常规光伏是称为等离子体增强的太阳能电池的类型。这些是普通的太阳能电池，其使用等离子体纳米颗粒来散射光或增强活性材料的光吸收。在这种情况下，活性材料是产生电荷的地方。
例如，Hossain等人：“Nanoparticles-decorated silicon absorber:Absorptiondepth profile characteristics within absorbing layer”,Solar Energy，204，2020年7月1日，第552页-560页，公开了一种等离子体增强的太阳能电池，其中当使用银纳米颗粒时，用作活性材料的Si吸收层获得较高的吸收分布。然而，这样的太阳能电池仍然存在常规太阳能电池的缺点，即由于由带隙所给定的限制，部分光能被浪费。
相比之下，在直接等离子体太阳能电池中，能量转换直接发生在等离子体纳米颗粒上，事实上，等离子体纳米颗粒是光吸收剂。直接等离子体太阳能电池是建立在等离子体电子共振机制上的。不是每个光子都激发一个特定的电子，而是每个光子都有助于产生电流的材料中电子的集体激发(共振)。这种不同机制的结果是，对于高能光子来说，所有的能量都可以转化为电能—没有任何东西被浪费。为了发生转换(以产生电池电压)，对于必须吸收的光子数量是如何少存在限制，但这比针对其他太阳能电池的典型数量低得多。
更具体地说，在等离子体电子共振机制中，等离子体金属纳米颗粒对光的吸收加热金属纳米颗粒中松散结合的价电子，产生电子热气体。电子热气体经由朗道(Landau)阻尼机制的去相位和退相干导致电热载流子(即热电子和空穴)的产生。从概念上讲，等离子体纳米结构可以直接用于太阳能电池，但光生成的电子-空穴对是短暂的(几飞秒(fs))。这使得从器件汲取电流成为问题。因此，为了增加电荷分离寿命，可以将电荷载流子限制在将发生反应的空间上分离的位置，例如，通过将它们转移到半导体。热电子具有足够的能量被注入到电子传输层(例如TiO2)的导带中，这显著延长了它们的寿命。
因此，为了制造基于直接等离子体技术的光伏(太阳能电池)器件，将热电子转移到电子传输层(ETL)材料，并且将热空穴转移到空穴传输层(HTL)。电荷随后被导电电极提取。ETL导带和HTL价带之间的能量差定义了电池的最大开路电压。
此外，等离子体纳米材料当用作光吸收剂时具有另一个显著的优势，即它们具有更大的光学横截面，使它们能够比任何其他光吸收剂吸收至少多十倍的光，在设计和放置(室外和室内)方面提供了多功能性。这种新机制使得能够开发新的类型的薄、高度透明的和无色的光伏太阳能电池。
为了确保对金属颗粒单独的等离子体过程的低干扰以及还有优选地高透明度，金属纳米颗粒层通常是不致密的，这意味着纳米颗粒被有意地彼此稀疏地沉积为亚单层。这种配置使得电池的ETL部分和HTL部分之间的接触成为可能，导致大量的重组事件，这些重组事件降低整体光伏器件效率。在它们的界面处的重组事件(也被称为界面分流)涉及热电子和空穴重组并释放能量的过程，有效地减少了电荷载流子在电极处的收集。
国际公布WO 2018/178153公开了一种直接等离子体太阳能电池，该直接等离子体太阳能电池包括导电透明基底层、n型半导体层、用于吸收光并生成电荷的金属纳米颗粒层、p型半导体层和背触点，它们通过分子连接体连接，其中绝缘层可以覆盖n型半导体、金属纳米颗粒和p型半导体的组件，并且任选地还覆盖连接体。然而，仍然存在重组事件没有减少的问题。
概述
本发明的一个目的是提供用于直接等离子体太阳能电池和超薄晶圆型直接等离子体太阳能电池的电荷生成组件，该电荷生成组件通过有效地减少界面电荷重组(“内部分流”)类提高效率，易于组装，稳定的，环境兼容的，并且优选地还是高度透明和无色的。
这样的太阳能电池适合于自充电技术、无色建筑集成，可佩戴电子装置，用于为家庭中的传感器和电子产品供电，并且也适用于高效串联太阳能电池和光子能量上转换，举几个非限制性的实例。
因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于直接等离子体太阳能电池的电荷生成组件，包括：
作为电子传输层(ETL)的n型半导体层；
金属等离子体纳米颗粒层；以及
作为空穴传输层(HTL)的p型半导体层；并且还包括：
在电子传输层和金属纳米颗粒层之间的绝缘层。
通过在ETL和金属纳米颗粒之间添加绝缘层，ETL层和HTL层之间的交互被抑制，这避免了在它们界面处的重组事件。
此外，ETL和金属纳米颗粒之间的绝缘层防止电子能级钉扎，改善光伏(太阳能电池)开路电压。电子能级的钉扎与金属纳米颗粒和n型半导体(ETL)的费米能级的平衡有关，当两个界面接触时发生这种平衡。绝缘层产生物理屏障，防止这种情况发生。
<定义>
术语“透明的”在此处以其最广义的含义使用，意指当你可以看透物体或物质时，或者当它不显著地影响对底层材料的感知时，该物体或物质所具有的品质(quality)。根据本文公开的太阳能电池的预期用途，需要不同程度的透明度。例如，当太阳能电池被并入在窗户玻璃上时，期望高程度的透明度，并且当太阳能电池被并入在其他建筑材料上时，期望较低程度的透明度。
如本文使用的与层、系统或器件相关的术语“无色”指的是不具有可区分颜色的颜色中性层或器件，如使用国际照明委员会(CIE)在1931年开发的CIE 1931RGB颜色空间测量的。
术语“自组装”指的是前体分子的自发组装以形成纳米结构的物体，并且包括主张对自组装过程进行熵控制和/或化学控制的选项，以便优化所得材料的性质。
<电子传输层>
所使用的与“电子传输层(ETL)”具有相同含义的术语“n型半导体”指的是其中电子是大多数载流子并且空穴是少数载流子的半导体材料。
合适的ETL材料的实例包括TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、BrTiO3、Sb2O5、掺杂的ZnO(例如，Al:ZnO、In:ZnO)、掺杂的Sb2O5(例如，Sn-Sb2O5)及其组合。优选地，ETL材料是TiO2和SnO2。
根据优选的实施方案，ETL层具有约200nm或更小、优选地150nm或更小、更优选地120nm或更小，例如100nm、80nm、70nm或更小的厚度。更优选地，ETL层是透明的。甚至更优选地，ETL层是透明且无色的。
ETL层的厚度由如例如通过扫描电子显微镜(SEM)确定的平均厚度表示。
<金属纳米颗粒>
任何金属纳米颗粒都可以用于金属纳米颗粒层中，只要它在光学范围内提供光学吸收，该光学范围被定义为在从UV到近红外(300nm-1200nm)范围内的电磁波谱，其通过UV-Vis光学吸收和反射率来测量。在优选的实施方案中，金属纳米颗粒具有选自球体、立方体、三棱柱、锥体、海胆或其他的一种或更多种形状。
优选地，颗粒具有200nm或更小、更优选100nm或更小、甚至更优选60nm或更小的平均尺寸，而与它们的几何形状无关。
当颗粒具有60nm或更小的尺寸时，光散射和反射进一步减小，使得颗粒特别适合作为直接电荷生成器。这是因为来自等离子体共振衰减的电荷形成是最佳的，同时大量的电载流子(即热电子和空穴)具有足够的能量被注入到对应于ETL和HTL的传输层中。根据本发明的颗粒尺寸通过动态光散射(DLS)来评估。
金属纳米颗粒优选地选自铜纳米颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒或铝纳米颗粒。更优选地，金属纳米颗粒是银纳米颗粒。
纳米颗粒层被形成为亚单层，其中纳米颗粒彼此稀疏地定位，优选地在彼此相距至少3nm的距离处，以便对每个单独的纳米颗粒的等离子体效应具有低干扰。
优选地，亚单层中纳米颗粒的浓度在致密单层的10％-20％之间，以获得无色或具有高透明度的光伏系统。
在一种实施方案中，纳米颗粒层具有在约15nm至约100nm的范围内的厚度，如可通过SEM测量的。这具有吸收整个太阳光谱的入射光的层的优点。
由金属纳米颗粒制成的层的厚度可以通过SEM来确定。
根据可与任何上文描述的实施方案自由组合的优选的实施方案，通过使用还原剂和稳定剂来合成金属纳米颗粒。还原剂的实例包括NaBH4、N2H4、抗坏血酸、甜菜碱、多元醇例如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇。稳定剂或生长限制剂的实例包括甜菜碱、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、多元醇(诸如例如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四乙二醇、聚乙二醇)或抗坏血酸。在优选的实施方案中，抗坏血酸用作稳定剂。
<空穴传输层>
在本文使用的与“空穴传输层(HTL)”具有相同的含义的术语“p型半导体”指的是其中空穴是大多数载流子或带正电荷的载流子并且电子是少数载流子的半导体材料。
合适的HTL材料的实例包括NiO、CuXO2(其中X是例如Cr、B、Al、Ga、In、Sc、Fe)、PEDOT.PSS(聚(3,4-乙烯二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐)、Spiro:OMeTAD(2,2’,7,7’-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9’-螺二芴)、PTAA(聚[双(4-苯基)(2,4,6-三甲基苯基)胺)及其组合。优选地，HTL材料是Spiro:OMeTAD、PEDOT:PSS和PTAA。
根据优选的实施方案，HTL层具有约700nm或更小、优选地400nm或更小、更优选地150nm或更小，例如120nm、100nm、50nm或更小的平均厚度。更优选地，HTL层是透明的。甚至更优选地，HTL层是透明且无色的。
HTL层的厚度可以通过SEM确定。
<绝缘层>
绝缘层是在太阳光谱中基本上没有光学吸收并且因此在太阳光谱中没有能力生成电荷的层。在优选的实施方案中，绝缘层由在价带和导带之间具有大的能量差(即，大的带隙)并且没有电导率或具有非常低的电导率的材料组成。导带边缘距离真空应该为3.5eV或更小，并且价带距离真空应该为6.5eV或更大。
作为实例，绝缘层可以由以下制成：SiO2、Al2O3、ZrO2、原硅酸四乙酯(TEOS)、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷、氨基苯基三甲氧基硅烷、有机磷酸酯(CnH2n+1-PO(OH)2)、氨基-有机磷酸酯(H2N-CnH2n-PO(OH)2)、硫醇-有机磷酸酯(HS-C2H2n-PO(OH)2)、有机羧酸酯(CnH2n+1-CO(OH))、氨基-有机羧酸酯(H2N-CnH2n+1-CO(OH))和硫醇-有机羧酸酯(HS-CnH2n+1-CO(OH))。
在优选的实施方案中，绝缘层由包含选择性地结合到金属纳米颗粒的官能团(例如，-NH2(伯胺)、-NRH(仲胺)、-SH、-SCN、CN、腈、-OH、烯烃、炔烃等)的材料制成。这样的化合物的实例是(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷、三乙氧基(3-硫氰基丙基)硅烷；3-氰基丙基三乙氧基硅烷、4-(三甲氧基甲硅烷基)-丁腈、3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯、3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基丙烯酸酯、有机磷酸酯(CnH2n+1-PO(OH)2)、氨基-有机磷酸酯(H2N-CnH2n-PO(OH)2)、硫醇-有机磷酸酯(HS-C2H2n-PO(OH)2)、有机羧酸酯(CnH2n+1-CO(OH))、氨基-有机羧酸酯(H2N-CnH2n+1-CO(OH))和硫醇-有机羧酸酯(HS-CnH2n+1-CO(OH))。当使用这些材料时，金属纳米颗粒可以黏附并粘着到绝缘层的表面。这防止颗粒移动，并且避免形成颗粒聚集和/或烧结，颗粒聚集和/或烧结会导致等离子体性质的损失。另外地，可以基于所使用的纳米颗粒的数量和沉积技术来控制金属纳米颗粒之间的距离以及金属纳米颗粒与ETL层之间的距离。
优选地，绝缘层具有10nm或更小、更优选地3nm或更小、甚至更优选地1nm或更小并且0.5nm或更大的厚度。当绝缘层的厚度为10nm或更小时，确保热电子有效地从金属纳米颗粒层转移到ETL。如果绝缘层的厚度小于0.5nm，则可能无法实现绝缘效果。
<其他实施方案>
根据另一种实施方案，p型半导体、金属纳米颗粒和/或绝缘层通过分子连接体共价连接。对分子连接体的要求是，由于分子连接体的良好的π共轭性质、刚性和平面性，它应该提供极好的电子耦合。优选地，使用对每种组分具有选择性反应基团的分子，即羧酸或膦酸(与p型半导体配位)和胺或硫醇(与纳米颗粒配位)。合适的分子连接体的实例如在国际申请WO 2018/178153A1中所公开的，并且通过引用并入本文。
<光伏器件>
在另外的方面，本发明涉及一种包括如上文描述的电荷生成组件的直接等离子体光伏器件，其中电子传输层、金属纳米颗粒层和空穴传输层夹在两个导电基底之间。
两个导电基底可以相同或不同，并且可以由例如在一侧上具有导电层的透明玻璃材料或导电聚合物制成。透明玻璃材料的优选的实例是氧化铟锡(ITO)、氟化的氧化锡(FTO)、铝掺杂的氧化锌(AZO)或铟掺杂的氧化锌(IZO)。类似地，导电聚合物基底的优选的实例可以是在一侧上具有导电层的聚合物基底或者由本质上是导电聚合物的导电聚合物材料制成的基底，或者例如由导电热塑性复合材料制成的基底。
根据本发明的光伏器件的架构的一个实例包括由导电材料制成的“底部”层(例如金层)和充当底部层的对电极的“顶部”层，在透明太阳能电池的情况下，底部层还是导电透明基底，例如FTO玻璃。电荷生成组件夹在两个导电层之间，使得HTL层与由金制成的底部层接触，并且ETL层与透明顶部层接触。在这样的架构中，底部层充当阳极层，并且顶部层充当阴极层。
可选择地，该架构对应于倒置电池，其中HTL层与“顶部”透明导电层接触，而ETL层将与“底部”导电层接触。
根据本发明的“顶部层”是指将首先接触光源例如太阳光的层。
在优选的实施方案中，直接等离子体光伏器件是直接等离子体太阳能电池。
通过使用如上文描述的架构，可以实现厚度小于400nm的光伏器件(例如太阳能电池)，其可以实现为透明表面、半透明表面和/或无色表面，并且并入到其他建筑元件中，而不增加体积或不显著改变它们的外观。
<产生电荷生成组件的方法>
在另一方面，本发明涉及一种产生用于直接等离子体太阳能电池的电荷生成组件的方法，该方法包括以下步骤：
a)在电子传输层(ETL)上沉积绝缘层；
b)在绝缘层上装载金属纳米颗粒以形成金属等离子体纳米颗粒层；以及
c)用空穴传输层(HTL)包覆金属等离子体纳米颗粒层。
根据优选的实施方案，通过将ETL层浸入到形成绝缘层的溶液中来沉积绝缘层。
然而，根据优选的实施方案，金属纳米颗粒通过喷墨印刷、丝网印刷、滴注、旋涂、浸涂、喷涂、原子层沉积、溅射、蒸发或允许在绝缘层上形成亚单层的任何其他方式被装载到绝缘层上。更优选地，使用喷墨印刷。
然而，根据优选的实施方案，HTL通过喷墨印刷、丝网印刷、滴铸、旋涂、浸涂、喷涂、原子层沉积、溅射、蒸发或允许形成连续HTL层的任何其他方式被装载到金属纳米颗粒层上。仍然根据优选的实施方案，通过旋涂来沉积HTL层。
所有上面提出的方法对于本领域技术人员来说都是熟知的，并且可以在没有过度的负担的情况下执行。
<产生光伏器件的方法>
在另一方面，本发明提供了一种用于通过使用如上文描述的电荷生成组件来产生直接等离子体光伏器件(更具体地说是直接等离子体太阳能电池)的方法，其中：
a1)在上文描述的步骤a)之前，用电子传输层包覆导电基底；以及
d)在上文描述的步骤c)之后，在空穴传输层的顶部包覆另外的导电基底。
在优选的实施方案中，步骤a1)通过喷雾热解执行。在又一优选的实施方案中，步骤d)通过在组件的其余部分上蒸发导电基底(背触点)来执行。
<电池的用途>
在另外的方面，本发明涉及建筑元件，该建筑元件包括电荷生成组件或光伏器件，特别是根据上文描述的任何一种实施方案的太阳能电池，或根据上文描述的任何一种方法产生的器件。
根据优选的实施方案，所述建筑元件选自窗户、屋顶元件、墙壁元件或其他结构或功能元件。
在又另外的方面，本发明涉及消费电子装置，该消费电子装置包括电荷生成组件或光伏器件，特别是根据上文描述的任何一种实施方案的太阳能电池，或根据上文描述的任何一种方法产生的器件。
根据优选的实施方案，所述消费电子装置涉及意图用于日常用途并且优选地需要低电力消耗的任何设备，诸如传感器、电子纸、移动电话、平板电脑、手表、智能装置、传感器、摄像机等。
在下面的描述和实施例中将参考附图更详细地描述本发明的不同方面和实施方案，在附图中：
图1a示意性地示出了用作比较实施例的没有绝缘层的等离子体太阳能电池的概念设计；
图1b示意性地示出了根据本发明的优选实施方案的具有绝缘层的等离子体太阳能电池的概念设计；
图2示出了根据本发明的优选实施方案的等离子体太阳能电池中使用的银纳米颗粒的光吸收光谱；
图3示出了根据本发明的优选实施方案的具有绝缘层的太阳能电池的I-V曲线；
图4示出了没有绝缘层的太阳能电池的I-V曲线。
<实施例>
实施例1金属纳米颗粒的合成
从相应的金属前体(例如AgNO3)、还原剂和稳定剂开始合成银金属纳米颗粒。还原剂和稳定剂的实例在本发明的前面提到过。所有试剂均购自Sigma-Aldrich/Merck并且具有分析质量。
本发明人遵循Dong等人在2015年提出的方案(通过引用并入本文)，改变选择的参数诸如组分的浓度、溶剂、反应温度和反应时间，以便优化纳米颗粒的几何形状和尺寸分布。
采用两种自下而上的合成程序来制备用甜菜碱和衍生物(Bts-Ag NP)稳定的Ag纳米颗粒(NP)。Bts-Ag NP在自动化微流体反应器(Asia注射泵(Asia Syringe Pump)，Syrris有限公司，英国罗伊斯顿(Royston,UK))中经由天然甜菜碱的碱水解来合成。经由多目标遗传算法的优化确保了Ag NP尺寸均匀和窄的光吸收。例如，Fernandes等人获得了通过动态光散射(DLS，NanoS，Malvern Panalytical有限公司，英国马尔弗(Malvern,UK))和原子力显微镜(AFM，Nanosurf AG，瑞士利斯塔尔(Liestal,Switzerland))确定的尺寸在40nm-45nm之间的颗粒和在405nm处的中心吸收(DH-2000-BAL连接到USB-4000光谱仪，OceanOptics公司，美国佛罗里达州拉戈(Largo，FL,USA))。
作为替代方案，Bts-Ag NP在微波合成反应器(Monowave 50,Anton Paar GmbH，奥地利)中经由酸或从甜菜根中提取的天然甜菜苷的碱水解来合成。该程序非常快速，并以高产率和高度再现性生产Bts-Ag NP。纳米颗粒是多分散的，确保与太阳光谱更好地匹配。该方法导致这样的颗粒，该颗粒具有在20nm-200nm之间的尺寸，如通过动态光散射(DLS，NanoS，Malvern Panalytical有限公司，Malvern，英国)和原子力显微镜(AFM，NanosurfAG，瑞士利斯塔尔)确定的；以及跨度从350nm-720nm的光吸收(DH-2000-BAL连接到USB-4000光谱仪，Ocean Optics公司，美国佛罗里达州拉戈)。
如果使用连接体，则将Ag纳米颗粒悬浮液的pH调节至4-5，并用pABA(Sigma-Aldrich)包覆颗粒，pABA(Sigma-Aldrich)经由-NH2锚定到Ag表面。
以同样的方式，金纳米颗粒、铜纳米颗粒和铝纳米颗粒可以从相应的金属前体开始获得，这对于本领域技术人员来说是明显的，例如对于铜纳米颗粒的CuSO4或CuCl2或对于金纳米颗粒的HAuCl4。
所得到的银纳米颗粒、金纳米颗粒和铜纳米颗粒在所公开的装置中测试。
实施例2半导体纳米颗粒
锐钛矿，颗粒尺寸为3nm和20nm的TiO2的纳米粉末，从Sachtleben Chemie GmbH,德国杜伊斯堡(Duisburg,Germany)获得。
锐钛矿，颗粒尺寸为20nm的TiO2的纳米分散体，从NYACOL Nano Technologies公司,美国阿什兰(Ashland,USA)获得。
可选择地，锐钛矿是通过在来自Sigma-Aldrich的9ml的乙醇中喷雾热解双(乙酰丙酮)二异丙氧基钛Ti(IV)(Ti(IV)diisoproxoide bis(acetylacetonate))和0.4ml乙酰丙酮而产生的。
用作HTL层的Spriro:OMeTAD是从Ossila有限公司,英国谢菲尔德(Sheffield,UK)获得的。
实施例3绝缘层
ZrO2层是从购自Sigma-Aldrich的在DI水中的ZrOCl2八水合物的溶液获得的。
实施例4直接等离子体光伏太阳能电池
图1示出了没有绝缘层(图1a)和有绝缘层(图1b)(在这种情况下绝缘层是ZrO2)的典型直接等离子体太阳能电池结构。绝缘层4被定位在电子传输层1(TiO2)和银纳米颗粒2的亚单层之间。
在银纳米颗粒的另一侧上发现了由Spiro:OMeTAD制成的空穴传输层3(HTL)。
上述结构夹在与TiO2层1接触的两个导电基底之间，即HTL层的顶部上的金背触点5和相对侧上的FTO玻璃6。
执行扫描电子显微镜(SEM)成像(图2-图3)以评估层厚度。HTL层3具有大约518.5nm的厚度，并且ETL层1具有大约164.6nm的厚度。由于ZrO2层4小于1nm，由于分辨率限制，它不能通过SEM成像，然而它的存在可以通过X射线光电子能谱(XPS)和太阳能电池性能的提高来确认。
太阳能电池包含银纳米颗粒作为光吸收剂，其中尺寸在20nm-35nm范围内，相当于在400nm-500nm之间的光吸收，如从图2的光吸收光谱中可以看出的。
根据本实施方案的太阳能电池通过以下方式获得：
a1)将FTO玻璃切割成14mm×24mm的尺寸。这些尺寸被选择为向玻璃片提供一些公差，用于最终的沉积步骤和测量。在切割之后，玻璃通过化学蚀刻被图案化。每个预切割基底的长边用胶带粘住(使用3M魔术胶带或Kapton)，使得它们在每一端覆盖约2mm。然后用锌粉末覆盖FTO(只需要少许)。这接着是将2M HCl液滴添加到FTO玻璃上以开始蚀刻反应。在大约2分钟之后，蚀刻完成，并且用水洗掉蚀刻溶液。玻璃片通过在2％Hellmanex溶液(用DI水稀释)中超声处理被进一步洗涤持续30分钟。之后，通过在DI水中超声处理洗涤持续15分钟，接着执行15分钟的IPA。清洁程序以15分钟的UV臭氧处理过程结束。
随后，制备在9ml的乙醇中的0.6ml的双(乙酰丙酮)二异丙氧基钛Ti(IV)和0.4ml的乙酰丙酮的溶液，用于喷雾热解过程。预切割、洗涤和蚀刻的基底被装载在喷雾热解热板上，并且被用另一个玻璃片覆盖大约3mm。在开始沉积之前，将热板设置为500℃，然后在该温度下保持持续30分钟。在此步骤之后，执行喷涂，直到完成一个完整的循环。需要喷涂至少5个循环(大约18ml的溶液)。在完成喷涂之后，将基底在500℃下放置持续另外的30分钟用于退火，然后将其放置以冷却。以这种方式，获得了沉积在FTO玻璃上的TiO2 ETL层。
ZrO2绝缘层如下被沉积在ETL层(TiO2)上：来自前一步骤的组件在UV臭氧中清洁持续20分钟。随后，包括TiO2膜的组件浸没于在DI水中的20mM ZrOCl2八水合物的溶液(1.289g，在200mL中)中持续10分钟，然后用DI水冲洗膜，使用气枪轻轻干燥，并且最后在180℃在空气中的热板中退火持续1小时。
然后将金属纳米颗粒层装载到绝缘层上。更具体地说，Ag Np由0.8ml的甘油、8.2ml的H2O、0.1ml的AgNO3和0.5ml的柠檬酸钠合成，它们在微波管中混合。在95℃下30分钟之后，获得Ag NP的溶液，然后在离心机中以14.8K rpm纯化持续20分钟。然后NP在2ml H2O中重新分散。
此外，0.05ml的HNO3(0.1M)与1ml的Ag NP混合，并将大约0.1ml的混合物滴注在隔离膜上持续20分钟-30分钟。使用DI-H2O，FTO/TiO2/ZrO2/Ag Np膜可能被洗涤，并使用Ar气干燥。
c)使用Spiro-OMeTAD作为空穴传输材料。将0.04ml-0.05ml的Spiro溶液(180mg的Spiro-OMeTAD、1ml的氯苯、16.5μl的叔丁基吡啶和11.3μl的Li-TFSI)用于以3000rpm旋涂持续30秒。将膜放置过夜，以在黑暗中氧化Spiro层。
d)最后，将80nm的金蒸发到HTL层上作为太阳能电池的背触点。使用徕卡(Leica)仪器执行蒸发过程。
通过遵循该程序，获得了如图1b中呈现的太阳能电池。
以类似的方式，获得了如图1a中呈现的用于比较实施例的太阳能电池，其中绝缘层未被沉积并且金属纳米颗粒直接装载在TiO2层上。
实施例5评估包括根据本发明的绝缘层的光伏太阳能电池的效率
图1a和图1b的太阳能电池在太阳模拟器中使用标准1SUN照明(在AM 1.5G条件下，1SUN被定义为等于100mW/cm2)在UV滤光器的存在下进行测试，以便去除低于400nm的波长。在图3和图4中分别示出了根据本发明的具有绝缘层的太阳能电池和用作比较实施例的不具有绝缘层的太阳能电池的I-V曲线(电流密度相对于电压)。还报告了平均性能，即光电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF)。
从图3和图4可以看出，由于所有太阳能电池参数(光电流(Jsc)、开路电压(Voc)和填充因子(FF))的改善，绝缘层的存在提高了电池的整体效率。对绝缘层的控制对于减少前向IV扫描和后向IV扫描之间的偏差(即太阳能电池滞后)是必不可少的。

Claims (15)

1.一种用于直接等离子体光伏电池的电荷生成组件，包括：
作为电子传输层(ETL)的n型半导体层(1)；
金属等离子体纳米颗粒层(2)；以及
作为空穴传输层(HTL)的p型半导体层(3)；以及
还包括：
在所述n型半导体和所述金属等离子体纳米颗粒层之间的绝缘层(4)。
2.根据权利要求1所述的电荷生成组件，其中所述金属等离子体纳米颗粒选自由铜、金、银或铝组成的组。
3.根据权利要求1或2所述的电荷生成组件，其中所述金属等离子体纳米颗粒层是亚单层。
4.根据权利要求3所述的电荷生成组件，其中所述金属等离子体纳米颗粒位于彼此相距至少3nm的距离处。
5.根据权利要求3或4所述的电荷生成组件，其中所述金属等离子体纳米颗粒具有在致密单层的10％-20％之间的浓度。
6.根据任一前述权利要求所述的电荷生成组件，其中所述金属等离子体纳米颗粒具有200nm或更小，更优选地100nm或更小，甚至更优选地60nm或更小的平均尺寸。
7.根据任一前述权利要求所述的电荷生成组件，其中所述绝缘层由包含选择性地结合到所述金属纳米颗粒的官能团的材料制成。
8.根据任一前述权利要求所述的电荷生成组件，其中所述绝缘层具有10nm或更小，更优选地3nm或更小，甚至更优选地1nm或更小的厚度。
9.根据任一前述权利要求所述的电荷生成组件，其中所述绝缘层由具有距离真空3.5eV或更小的导带边缘和距离真空6.5eV或更大的价带的材料制成。
10.一种直接等离子体光伏器件，包括：
根据任一前述权利要求所述的电荷生成组件，所述电荷生成组件被夹在两个导电基底之间。
11.根据权利要求10所述的直接等离子体光伏器件，其是直接等离子体太阳能电池。
12.一种获得根据权利要求1至9中任一项所述的电荷生成组件的方法，包括以下步骤：
a)在电子传输层(ETL)上沉积绝缘层；
b)在所述绝缘层上装载金属纳米颗粒以形成所述金属等离子体纳米颗粒层；以及
c)用空穴传输层(HTL)包覆所述金属等离子体纳米颗粒层。
13.根据权利要求12所述的方法，用于获得根据权利要求10或11所述的直接等离子体光伏器件，还包括以下步骤：
a1)在步骤a)之前，用所述电子传输层(ETL)包覆导电基底；以及
d)在步骤c)之后，在所述空穴传输层(HTL)的顶部包覆另外的导电基底。
14.一种建筑元件，包括根据权利要求1至9中任一项所述的电荷生成组件或根据权利要求10或11所述的直接等离子体光伏器件。
15.一种消费电子装置，包括根据权利要求1至9中任一项所述的电荷生成组件或根据权利要求10或11所述的直接等离子体光伏器件。
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