热载流子太阳能电池及其形成方法技术

各种实施例可以提供热载流子太阳能电池。该太阳能电池可以包括纳米晶体层，所述纳米晶体层包括或包含一种或多种纳米晶体，所述一种或多种纳米晶体中的每一种包括卤化物钙钛矿材料。该热载流子太阳能电池还可以包括与纳米晶体层的第一侧接触的第一电极。该热载流子太阳能电池还可以包括与纳米晶体层的第二侧接触的第二电极，其中所述第二侧与所述第一侧相对。纳米晶体层可具有小于100nm的厚度。

Hot Carrier Solar Cell and Its Formation Method

Various embodiments can provide heating for carrier solar cells. The solar cell may include a nanocrystalline layer comprising or containing one or more nanocrystals, each of which includes a halide perovskite material. The hot carrier solar cell can also include a first electrode in contact with the first side of the nanocrystalline layer. The hot carrier solar cell may also include a second electrode in contact with the second side of the nanocrystalline layer, the second side of which is opposite to the first side. The nanocrystalline layer can be less than 100 nm thick.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热载流子太阳能电池及其形成方法相关申请本申请要求2016年7月27日提交的新加坡专利申请No.10201606182S的优先权，其内容通过引用整体并入本文。
本公开的各个方面涉及热载流子太阳能电池。本公开的各个方面涉及热载流子太阳能电池的形成方法。
技术介绍
当前所有太阳能电池普遍存在的一个特征是太阳光子(从紫外到红外波长)具有比半导体带隙更大的能量，可以产生具有超出带隙的过剩能量的自由载流子或激子；这些载流子或激子温度高于材料晶格温度，被称为“热载流子”或“热激子”。这种过剩的载流子能量是动力学自由能并且通过电子-声子散射将过剩的动能转换成热量快速地(在亚皮秒时间尺度内)损失。1961年，Shockley和Queisser(SQ)基于辐射复合是唯一的其他自由能量损失机制以及完全热载流子冷却的假设，计算了太阳能电池中太阳辐照度转换为电自由能的最大可能热力学效率。该计算得出理论最大热力学效率为31-33％，最佳带隙在约1.1eV和1.4eV之间。1982年的热力学计算首先表明，如果在冷却到晶格温度之前利用热光生载流子的过剩能量，则转换效率可以达到66％，从而超过SQ限制并提高太阳能电池效率。一种方法是在载流子冷却之前将热载流子传输到具有适当功函数的载流子收集触点。这些电池被称为热载流子太阳能电池。因此，研究界正在不断寻找具有慢速热载流子冷却特性的合适的太阳能电池吸收材料。在纳米技术的早期发展期间，最初认为通过声子瓶颈效应半导体纳米晶体(NC)中的量子限制可以减慢热载流子冷却过程。然而，进一步的研究显示，由于替代的快速弛豫路线可能超过声子瓶颈，因此在量子限制系统中实现慢速热载流子冷却仍然具有挑战性。因此，非常希望开发具有慢速热载流子冷却性能的新型材料。
技术实现思路
各种实施例可以提供热载流子太阳能电池。该太阳能电池可以包括纳米晶体层，所述纳米晶体层包括或包含一种或多种纳米晶体，所述一种或多种纳米晶体中的每一种包括卤化物钙钛矿材料。该热载流子太阳能电池还可以包括与纳米晶体层的第一侧接触的第一电极。该热载流子太阳能电池还可以包括与纳米晶体层的第二侧接触的第二电极，其中所述第二侧与所述第一侧相对。纳米晶体层可具有小于100nm的厚度。各种实施例可提供热载流子太阳能电池的形成方法。该方法可以包括提供或形成包括一种或多种纳米晶体(如本文所述)的纳米晶体层，所述一种或多种纳米晶体中的每一种包括卤化物钙钛矿材料。该方法还可以包括形成第一电极，使得第一电极与纳米晶体层的第一侧接触。该方法还可以包括形成第二电极，使得第二电极与纳米晶体层的第二侧接触，其中所述第二侧与所述第一侧相对。纳米晶体层可具有小于100nm的厚度。附图说明结合非限制性实施例和附图并参考详细描述可以更好地理解本专利技术，其中：图1示出了根据各种实施例的纳米晶体的一般图例。图2示出了根据各种实施例的热载流子太阳能电池的一般图例。图3示出了根据各种实施例的纳米晶体的形成方法的示意图。图4示出了根据各种实施例的热载流子太阳能电池的形成方法的示意图。图5示出了半导体纳米晶体中(a)带内俄歇能量传递，(b)声子瓶颈效应和(c)带间俄歇过程的热载流子冷却的示意图。图6示出了根据各种实施例的具有相对(a)小尺寸，(c)中尺寸和(e)大尺寸的甲基胺溴化铅钙钛矿(MAPbBr3)纳米晶体(NC)的典型透射电子显微镜(TEM)图像，在其右边为相应的尺寸直方图(b,d,f)。尺寸分布可以用高斯分布建模。图7示出了甲基胺溴化铅(MAPbBr3)体块膜的(a)顶视图和(b)侧视图的扫描电子显微镜(SEM)图像。图8示出了(a)光致发光(PL)强度(任意单位或a.u.)对波长(纳米或nm)的曲线图，表示分散在甲苯中的根据各种实施例的甲基胺溴化铅钙钛矿(MAPbBr3)纳米晶体(NC)以及体块膜对应物的光致发光(PL)光谱；(b)吸光度(任意单位或a.u.)对波长(纳米或nm)的曲线图，表示分散在甲苯中的根据各种实施例的甲基胺溴化铅钙钛矿(MAPbBr3)纳米晶体(NC)以及体块膜对应物的紫外-可见(UV-vis)吸收光谱；(c)1s激子能量E1s(电子伏或eV)对纳米晶体平均半径a(纳米或nm)的曲线图，表示根据各种实施例的甲基胺溴化铅钙钛矿(MAPbBr3)的1s激子的能量与半径的关系，以及(d)X射线衍射(XRD)强度(任意单位或a.u.)对角度2θ(以度为单位)的曲线图，表示根据各种实施例的三种不同尺寸的甲基胺溴化铅钙钛矿(MAPbBr3)纳米晶体(NC)的XRD图。图9A示出了在溶液中根据各种实施例的中尺寸甲基胺溴化铅钙钛矿纳米晶体(MAPbBr3NC)(半径～4-5nm)的伪彩色瞬态吸收(TA)图(上图，时间(皮秒或ps)与能量(电子伏或eV)的关系图)和归一化瞬态吸收(TA)光谱(下图，归一化透射率变化ΔT/T对能量(电子伏或eV)的曲线图)，其中在低泵浦功率密度下(左图)，最初每纳米晶体平均产生的电子-空穴对为<N0>～0.1(每纳米晶体体积的平均载流子密度n0avg～2.6×1017cm-3)，在高泵浦功率密度下(右图)<N0>～2.5(n0avg～6.5×1018cm-3)。图9B示出了MAPbBr3体块膜的伪彩色表示(上图，时间(皮秒或ps)和归一化瞬态吸收(TA)光谱(下图，归一化透射率变化ΔT/T对能量(电子伏或eV)的曲线图)。在低泵浦功率密度下(左图)，最初产生的载流子密度为n0～2.1×1017cm3，在高泵浦功率密度下(右图)n0～1.5×1019cm3。图10示出了时间(皮秒或ps)对能量(电子伏或eV)的曲线图，表示在溶液中根据各种实施例的(a)小尺寸和(b)大尺寸的甲基胺溴化铅钙钛矿纳米晶体(MAPbBr3NC)伪彩色瞬态吸收(TA)光谱(以皮秒或ps为单位的时间对以电子伏或eV为单位的能量)。3.1eV光激发后，在低泵浦功率密度下(左图)最初每纳米晶体平均产生的电子-空穴对为<N0>～0.1，在高泵浦功率密度下(右图)<N0>～2.5。图11示出了(a)归一化透射率变化ΔT/T对能量(电子伏或eV)的曲线图，表示在甲苯中根据各种实施例的中尺寸的甲基胺溴化铅钙钛矿纳米晶体(MAPbBr3NC)在不同的短延迟时间下的归一化TA光谱，每纳米晶体平均产生的电子-空穴对<N0>～0.1(3.1eV光激发后)；以及(b)(a)的未归一化瞬态吸收(TA)光谱。图12示出了载流子温度(开尔文或K)对时间(皮秒或ps)的曲线图，表示在各种泵浦功率密度下，根据各种实施例的中尺寸纳米晶体(NC)和体块膜的热载流子温度Tc的时间演变：初始光激发的热载流子密度n0(体块膜)和每NC平均产生的电子-空穴对<N0>，其中<N0>＝Jσ，其中J是泵浦功率密度，σ是吸收截面。图13示出了(a)光致发光(PL)强度(任意单位或a.u.)对时间(纳秒或ns)的曲线图，表示根据各种实施例的中尺寸甲基胺溴化铅钙钛矿纳米晶体(MAPbBr3NC)在3.1eV光激发下时间分辨光致发光(PL)的泵浦功率密度依赖；(b)瞬态光致发光(PL)强度(任意单位或a.u.)对泵浦强度的曲线图(微焦耳/平方厘米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热载流子太阳能电池，包括：纳米晶体层，其包括一种或多种纳米晶体，所述一种或多种纳米晶体中的每一种包括卤化物钙钛矿材料；第一电极，其与所述纳米晶体层的第一侧接触；和第二电极，其与所述纳米晶体层的第二侧接触，所述第二侧与所述第一侧相对；其中所述纳米晶体层的厚度小于100nm。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.27 SG 10201606182S1.一种热载流子太阳能电池，包括：纳米晶体层，其包括一种或多种纳米晶体，所述一种或多种纳米晶体中的每一种包括卤化物钙钛矿材料；第一电极，其与所述纳米晶体层的第一侧接触；和第二电极，其与所述纳米晶体层的第二侧接触，所述第二侧与所述第一侧相对；其中所述纳米晶体层的厚度小于100nm。2.根据权利要求1所述的热载流子太阳能电池，还包括：一种光学装置，所述光学装置将太阳能引导到所述纳米晶体层。3.根据权利要求2所述的热载流子太阳能电池，其中所述光学装置包括一个或多个光学元件，所述光学元件将太阳能引导到所述纳米晶体层。4.根据权利要求3所述的热载流子太阳能电池，其中所述一个或多个光学元件是光学透镜。5.根据权利要求1至4中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述第一电极是热电子提取层，包括选自以下材料中的任意一种：氧化钛、氧化锌、苯基-C61-丁酸甲酯、4,7-二苯基-1,10-菲咯啉、聚(9-乙烯基咔唑)、2-(4-联苯基)-5-苯基-1,3,4-恶二唑、2,2',2”-(1,3,5-苯爪基)-三(1-苯基-1-H-苯并咪唑)、聚(9,9-二辛基芴)和浴铜灵。6.根据权利要求1至5中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述第二电极是热空穴提取层，包括选自以下材料中的任意一种：2,2',7,7'-四[N,N-二(4-甲氧基苯基)氨基]-9,9'-螺二芴、聚(3-己基噻吩-2,5-叉基)、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)聚苯乙烯磺酸盐和聚(9,9-二辛基-芴-co-N-(4-丁基苯基)二苯胺。7.根据权利要求1至6中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述第一电极是能量选择性接触点，其允许具有等于或高于预定值的过剩能量的电子通过，并且将具有低于预定值的过剩能量的电子反射回所述纳米晶体层。8.根据权利要求1至7中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述第二电极是能量选择性接触点，其允许具有等于或高于预定值的过剩能量的空穴通过，并且将具有低于预定值的过剩能量的空穴反射回所述纳米晶体层。9.根据权利要求1至8中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述一种或多种纳米晶体表现出高于30ps的热载流子冷却寿命。10.根据权利要求1至9中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述一种或多种纳米晶体中的每一种的半径是选自2nm至7nm的任意值。11.根据权利要求1至10中任一项所述的热载流子太阳能电池，其中所述卤化物钙钛矿材料是有机-无机卤化物钙钛矿材料。12.根据权利要求1至10中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：岑子健，李明杰，苏博高塔姆·玛瑟卡，N·马修斯，
申请(专利权)人：南洋理工大学，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG