[發(fā)明專利]一種鋁摻雜氧化鋅納米棒為電子傳輸層的雜化太陽(yáng)能電池

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310443895.1
• 申請(qǐng)日: 2013-09-26
• 公開（公告）號(hào): CN103474574A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊利營(yíng);印壽根;秦文靜;唐彤;左紅文;鄭克寧;董雪;石蓬;田玄基;李洋;劉少偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L51/42
• 分類號(hào): H01L51/42;H01L51/46;H01L51/48
• 代理公司: 天津佳盟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術(shù)領(lǐng)域

?本發(fā)明涉及有機(jī)光電-太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，特別是一種鋁摻雜氧化鋅納米棒為電子傳輸層的雜化太陽(yáng)能電池。

背景技術(shù)

隨著全球石油資源的日益耗盡，太陽(yáng)能電池作為解決世界能源危機(jī)的一個(gè)可行方法成為一個(gè)廣泛研究的前沿性課題。太陽(yáng)能電池的研究與開發(fā)始終圍繞以下兩個(gè)關(guān)鍵問題而展開：1）提高光電轉(zhuǎn)換效率及壽命；2）采用新型材料以降低成本。到目前為止，無機(jī)硅太陽(yáng)能電池在制備過程中所需的高溫、高真空使得無機(jī)硅太陽(yáng)能電池的生產(chǎn)成本非常高，使其應(yīng)用受到很大的限制。有機(jī)聚合物本體異質(zhì)結(jié)太陽(yáng)能電池具有成本低、無毒、容易制備、易于實(shí)現(xiàn)柔性器件、可以方便有效地改變有機(jī)材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而控制最佳的能帶、電荷遷移率、溶解度甚至取向程度來提高電池的效率等，因此成為近年來的研究熱點(diǎn)。但其光電轉(zhuǎn)換效率較低、壽命和穩(wěn)定性較差的弱點(diǎn)嚴(yán)重制約著其商業(yè)化的進(jìn)程。

有機(jī)共軛聚合物-無機(jī)納米晶雜化太陽(yáng)能電池是一種新穎的電池體系。無機(jī)納米晶半導(dǎo)體材料具有載流子遷移率高、性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)容易控制等優(yōu)點(diǎn)，因此有望實(shí)現(xiàn)低成本太陽(yáng)能電池的制備。目前常用的無機(jī)納米晶包括ZnO、TiO₂、PbS、PbSe、CdSe等。然而由于無機(jī)納米晶本身極易團(tuán)聚，影響了有機(jī)-無機(jī)界面和電子的有效傳輸。因此，在器件中存在著嚴(yán)重的界面電荷復(fù)合。有機(jī)共軛聚合物-無機(jī)納米晶雜化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率仍然較低，尚不具備大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的前景。

層狀類鈣鈦礦雜化材料是由有機(jī)分子和無機(jī)分子有序自組裝形成的、具有量子肼結(jié)構(gòu)的晶體材料。此類材料結(jié)合了有機(jī)組分功能性、易加工性和無機(jī)組分高載流子傳輸性能、機(jī)械穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在光、電、磁等方向表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，有很廣闊的應(yīng)用前景。由于IVA族金屬（Sn，Pb等）具有特殊的分子軌道特征，使該族金屬鹵化物的雜化鈣鈦礦材料具有很好的導(dǎo)電性。因此，這類雜化鈣鈦礦作為半導(dǎo)體材料，其突出的光電性能一直以來都引起了極大關(guān)注并被廣泛研究。?CH₃NH₃PbX_3?（X為?Br，I）作為一種新型的光敏材料在2009年被首先合成并應(yīng)用于液相染料敏化太陽(yáng)能電池（DSSC）中，分別獲得了3.8%和3.1%的光電轉(zhuǎn)換效率，參見J.Am.?Chem.?Soc.?2009,?131,?6050?6051。2011年P(guān)ark等人進(jìn)一步將光電轉(zhuǎn)換效率提高到6.5%，參見Nano?Lett.?2012,?12,?1863?1867，但是器件的穩(wěn)定性很差。2012年瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的Michael?Gratzel教授等人采用Spiro-MeOTAD作為空穴傳輸層，TiO₂為電子傳輸層制備了全固態(tài)雜化電池，光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)9.7%，參見Sci.?Rep.?2012,?2,?591-1-7。2013年6月Michael?Gratzel教授等進(jìn)一步將基于CH₃NH₃PbX₃的有機(jī)/層狀類鈣鈦礦雜化電池的效率提升到15%，參見www.nature.com/doifinder/10.1038?/nature12340。這一成果被認(rèn)為是太陽(yáng)能領(lǐng)域的一項(xiàng)重大研究進(jìn)展。據(jù)理論預(yù)測(cè)，?基于CH₃NH₃PbX₃的有機(jī)/層狀類鈣鈦礦雜化電池的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%。作為一種全固態(tài)的染料敏化太陽(yáng)能電池，其獨(dú)特的光電特性正引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

染料敏化太陽(yáng)能電池陽(yáng)極的發(fā)展趨勢(shì)之一是要保持較好的電子傳輸通道同時(shí)盡可能的提高陽(yáng)極的比表面積。因此開發(fā)具有較好電子傳輸性能、高比表面積和高光散射效果的光陽(yáng)極對(duì)提高電池的光電效率具有重要的意義。目前基于CH₃NH₃PbX₃的有機(jī)/層狀類鈣鈦礦雜化電池通常采用TiO₂作為電子傳輸層。常規(guī)的TiO₂材料存在著一些固有缺陷，如納米晶粒間存在著大量的晶界、比表面積大，表面懸掛鍵起著俘獲光生電子的陷阱作用，會(huì)使電子的壽命和擴(kuò)散距離減小，復(fù)合幾率增加。電荷復(fù)合正是制約著DSSC效率提高的主要因素。一些研究人員嘗試著在TiO₂納米晶表面包覆具有較高導(dǎo)帶位置的金屬氧化物（ZnO、Cs₂O₃、MgO）薄層形成核殼結(jié)構(gòu)，通過能量勢(shì)壘抑制TiO₂導(dǎo)帶電子與染料及電解質(zhì)的復(fù)合。