一种超宽带吸收的异质结太阳能电池制造技术

本发明专利技术公开了一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，具体结构包括透明导电前电极、二维纳米锥阵列超结构、下转换纳米结构、等离激元陷光结构、有机导电聚合物层、半导体材料层和背电极。该电池利用下转换纳米结构实现紫外光的光子切割，将紫外光转换为可见光；利用具有尖端等离激元激发效应的二维纳米锥阵列超结构，以及等离激元陷光结构，在可见光波段增强有机导电聚合物与半导体形成的异质结的光吸收；并利用二维纳米锥阵列超结构与半导体形成的异质结，使器件吸收并转换小于半导体带隙的红外光，增强电池红外谱段内的光谱响应。该电池在紫外到红外超宽谱范围内具有高效的光电转换效率，且具有成本低、工艺简单、比效率高等优势。

An ultra wideband absorption heterojunction solar cell

The invention discloses a heterogeneous ultra wideband absorption of solar cell specific structure includes a transparent conductive electrode before, two-dimensional nano cone array ultra structure, conversion of nanostructures, plasmon light trapping, organic conductive polymer layer, a semiconductor material layer and back electrode. Under the transformation of nano structure to achieve the photons of the ultraviolet light cutting using the battery, change the ultraviolet light into visible light; with tip plasmon excitation effect of two-dimensional nano cone array super structure, and the plasmon light trapping structure in visible light enhanced organic conductive polymer and semiconductor heterostructures formed of light absorption; and the two-dimensional nano cone array heterojunction ultra structure and semiconductor device formed by absorption and conversion is less than the band gap of semiconductor infrared light, infrared spectra enhanced battery in response. The battery has high efficiency of photoelectric conversion in the ultraviolet to infrared ultra wide spectrum range, and has the advantages of low cost, simple process, high efficiency and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种超宽带吸收的异质结太阳能电池
本专利技术具体是一种超宽带吸收的异质结太阳能电池。属于太阳能电池制造的
，
技术介绍
随着化石能源的枯竭，太阳能电池技术得到飞速发展，并有望代替传统化石能源，成为未来的主流能源。在太阳能电池的研究中，更高效率、更低成本的电池是永恒不变的主题。传统太阳能电池，以半导体原料为主，需要掺杂构成PN结，但是基于PN结的太阳能电池难以实现能量低于半导体带隙的光子的能量利用与转换，这不仅限制了电池光电转换效率的提升，还会因红外光的产热效应造成太阳能电池的老化甚至破裂。此外，在传统半导体太阳能电池加工过程中，需高温条件且工艺复杂，制造成本高，研制低成本、超宽谱吸收的太阳能电池是该领域面临的主要挑战。相关研究表明，有机聚合物和半导体材料也可形成异质结，用于光电转换。相比于半导体晶体材料，有机聚合物材料可采用液相旋涂、卷对卷等低成本工艺大面积制备，并可方便地在聚合物功能层中增加各种纳米功能结构，为电池中的光学运筹和电子设计提供了全新的手段，也为电池光谱响应及光电转换效率的提升提供了新的发展方向。目前，有机导电聚合物与半导体构成的异质结电池在紫外及可见光波段的光吸收效率仍具有较大提升空间，并且该类电池的吸收限仍由半导体材料带隙决定，不能利用低于半导体带隙的光能。因此，需提出新原理和新结构，实现电池的可见光吸收增强及低于半导体带隙的红外吸收，进而获得更为高效、成本低廉的覆盖可见光到红外光的宽光谱吸收异质结电池。近年来，研究表明，具有表面等离激元局域或亚波长传导的纳米结构有望用于提高太阳能电池的效率，但是，需要将表面等离激元结构镶嵌在光伏功能层内部(PN结内部)，才能发挥作用。然而，限于工艺和器件结构，绝大多数无机材料构成的传统太阳电池(如晶体硅、砷化镓太阳能电池)，都无法实现内部镶嵌表面等离激元结构，也就无法利用这种表面等离激元效应实现增效。另一方面，研究表明，半导体与表面等离激元超结构形成的异质结能有效收集非辐射跃迁效应产生的“热电子”，实现光能到电能的转换。这类异质结钩可突破传统半导体的红外吸收极限，实现传统太阳电池材料无法吸收利用的红外光的有效利用，甚至在中远红外波段，都能有效实现光电转换。
技术实现思路
技术问题：本专利技术的目的是解决已有异质结太阳能电池可见光波段的光吸收效率低，低于半导体带隙的光能无法利用等技术问题，提出一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，增强电池紫外光到红外超宽谱段内的光谱响应，进而提升电池的光电转换效率。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术提出一种超宽谱吸收的异质结太阳能电池，该太阳能电池由透明导电前电极、二维纳米锥阵列超结构、下转换纳米结构、有机导电聚合物层、等离激元陷光结构、半导体材料层和背电极构成；其位置关系由上至下依次为透明导电前电极、有机导电聚合物层、半导体材料层、背电极；其中，二维纳米锥阵列超结构上部与透明导电前电极紧密接触，其下部与有机导电聚合物层紧密接触，下转换纳米结构吸附于二维纳米锥阵列超结构的侧壁，等离激元陷光结构分散于有机导电聚合物层内或分散于有机导电聚合物层和半导体材料层的界面，二维纳米锥阵列超结构和有机导电聚合物层均与半导体材料层构成异质结，这两种异质结均与透明导电前电极和背电极形成导电通路。所述的二维纳米锥阵列超结构，由纳米锥单元的周期性排布构成，纳米锥单元中的纳米锥为单一尺寸的，从而实现红外某一特定波段的光能转换，或为不同尖端宽度、底部宽度、高度纳米锥的组合，实现红外宽光谱吸收。所述的透明导电前电极，供选材料包括氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO、掺氟氧化锡FTO或石墨烯，厚度为50纳米到300纳米。所述的纳米锥单元包含1到10个纳米锥，纳米锥单元的尺寸在20纳米到1000纳米之间，纳米锥单元间距为10纳米到1000纳米之间。所述的纳米锥，供选材料为金、银、铜、钯、铑、或是所述金属的复合材料，尖端宽度为5纳米到50纳米之间，底部宽度5纳米到100纳米，高度为50纳米到300纳米。所述的下转换纳米结构，供选材料为镉锌硫量子点、硒化镉量子点，或铕Eu2+，Eu3+、铽Tb3+或钐Sm3+稀土元素掺杂量子点。所述的有机导电聚合物层，供选材料为聚3，4-亚乙二氧基噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT:PSS、聚3-已基噻吩P3HT、聚3-辛基噻吩P3OT、PEH-PPV或小分子Spiro-OMeTAD，厚度为20纳米到150纳米。所述的等离激元陷光结构，供选材料为金、银、铜、钯、铑或所述金属的复合材料，或高掺杂浓度的半导体氧化物，其形貌为球型、椭球形、多面体、盘状、多边型板或短棒状，其等离激元谐振峰调谐范围为紫外到红外波段，尺寸为1纳米到100纳米。所述的半导体层，供选材料为n型硅或n型砷化镓，厚度为1微米至500微米。所述的背电极，供选材料为铝、金、铟或铟镓混合物，厚度为50纳米到500纳米。不同波段下电池中的光学通道及电学通道如下：1)对于能量高于半导体带隙的紫外光，通过下转换纳米结构与纳米锥形成的异质结高效地实现将紫外光转换成为可见光，进而在有机导电聚合物与半导体构成的异质结实现光子吸收和载流子分离，由透明导电前电极和背电极对载流子进行收集，实现光电转换；2)对于能量高于半导体带隙的可见及近红外光，通过设计纳米锥的结构参数及光学性质，使纳米锥的横向等离激元共振模式在这一波段吸收很小，进而使得该波段的光主要由电池中的半导体材料层及有机导电聚合物层吸收，并通过纳米锥的横向等离激元模式引起的光场限域和亚波长高光强密度传输效应，将入射光局域于有机聚合物-半导体异质结内，提升有机导电聚合物与半导体构成的异质结的光吸收率，并通过有机导电聚合物与半导体构成的异质结实现该波段光生载流子分离，由透明导电前电极和背电极对载流子进行收集，实现光电转换；3)对于能量低于半导体带隙的光，由二维纳米锥阵列的纵向等离激元模式吸收，并通过纳米锥超结构与半导体构成的异质结实现光生载流子分离，进而由透明导电前电极和背电极对载流子进行收集，实现光电转换。为了实现红外宽光谱吸收，纳米锥单元结构可以为几种不同高度、顶部宽度、底部宽度纳米锥的组合，通过改变纳米锥的不同高度、顶部宽度、底部宽度等结构参数实现对其纵向等离激元模式的调谐，其调谐范围覆盖红外宽谱范围，因而，通过在纳米锥单元结构中集成几种不同结构参数的纳米锥，既可实现对特定波长红外光的强响应，或者实现红外波段的宽光谱响应。有益效果：本专利技术与现有的技术相比具有以下的优点：1、提出一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，相较于光电响应波段窄及且效率低的传统有机导电聚合物与半导体构成的异质结器件，该电池中包括横向及纵向两种等离激元共振模式的金属纳米锥结构，在紫外波段，利用下转换纳米结构实现紫外光的光子切割，将紫外光转换为可见光，增强光吸收；在可见光波段，纳米锥的横向等离激元模式实现光场限域、亚波长传输特性，以及等离激元陷光结构的高效光散射效应，实现电池可见光波段量子效率提升；在红外波段，利用金属纳米针锥的纵向等离激元共振模式，吸收能量小于半导体带隙的红外光，并通过纳米锥超结构与半导体构成的异质结实现红外光的光生载流子分离，进而将有机导电聚合物与半导体构成的异质结不能吸收的红外光转换为电能，提升器件红外波段的量子效率。该电池在紫外到红本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池由透明导电前电极(1)、二维纳米锥阵列超结构(2)、下转换纳米结构(3)、有机导电聚合物层(4)、等离激元陷光结构(5)、半导体材料层(6)和背电极(7)构成；其位置关系由上至下依次为透明导电前电极(1)、有机导电聚合物层(4)、半导体材料层(6)、背电极(7)；其中，二维纳米锥阵列超结构(2)上部与透明导电前电极(1)紧密接触，其下部与有机导电聚合物层(4)紧密接触，下转换纳米结构(3)吸附于二维纳米锥阵列超结构(2)的侧壁，等离激元陷光结构(5)分散于有机导电聚合物层(4)内或分散于有机导电聚合物层(4)和半导体材料层(6)的界面，二维纳米锥阵列超结构(2)和有机导电聚合物层(4)均与半导体材料层(6)构成异质结，这两种异质结均与透明导电前电极(1)和背电极(7)形成导电通路。

【技术特征摘要】
1.一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，其特征在于，该太阳能电池由透明导电前电极(1)、二维纳米锥阵列超结构(2)、下转换纳米结构(3)、有机导电聚合物层(4)、等离激元陷光结构(5)、半导体材料层(6)和背电极(7)构成；其位置关系由上至下依次为透明导电前电极(1)、有机导电聚合物层(4)、半导体材料层(6)、背电极(7)；其中，二维纳米锥阵列超结构(2)上部与透明导电前电极(1)紧密接触，其下部与有机导电聚合物层(4)紧密接触，下转换纳米结构(3)吸附于二维纳米锥阵列超结构(2)的侧壁，等离激元陷光结构(5)分散于有机导电聚合物层(4)内或分散于有机导电聚合物层(4)和半导体材料层(6)的界面，二维纳米锥阵列超结构(2)和有机导电聚合物层(4)均与半导体材料层(6)构成异质结，这两种异质结均与透明导电前电极(1)和背电极(7)形成导电通路。2.根据权利要求1所述的一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，其特征在于，所述的二维纳米锥阵列超结构(2)，由纳米锥单元(21)的周期性排布构成，纳米锥单元(21)中的纳米锥(22)为单一尺寸的，从而实现红外某一特定波段的光能转换，或为不同尖端宽度、底部宽度、高度纳米锥的组合，实现红外宽光谱吸收。3.根据权利要求1所述的一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，其特征在于，所述的透明导电前电极(1)，供选材料包括氧化铟锡ITO、掺铝氧化锌AZO、掺氟氧化锡FTO或石墨烯，厚度为50纳米到300纳米。4.根据权利要求1所述的一种超宽带吸收的异质结太阳能电池，其特征在于，所述的纳米锥单元(21)包含1到10个纳米锥(22)，纳米锥单元(21)的尺寸在20...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，苏丹，张晓阳，吴静远，王善江，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32