基于苝二酰亚胺敏化的晶体硅太阳能电池及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于苝二酰亚胺敏化的晶体硅太阳能电池，包括

【技术实现步骤摘要】
基于苝二酰亚胺敏化的晶体硅太阳能电池及其制备方法


[0001]本专利技术属于晶体硅太阳能电池领域，涉及苝二酰亚胺敏化的晶体硅太阳能电池技术
。

技术介绍

[0002]晶体硅太阳能电池目前占据了光伏市场
90
％以上的份额，其技术也是发展最成熟的，以晶体硅电池技术为基础，如何降低其生产成本
、
提高光电转换效率一直是光伏领域的研究热点
。
晶体硅的带隙
(Eg)
为
1.12eV
，硅吸收太阳光后将产生电子
‑
空穴对，从能量转换的角度来看，能量接近
Eg
的光子转换效率最高，可见光区域的高能光子
(
能量为
h
ν
)
被硅吸收以后产生的热载流子，通过与晶格的相互作用弛豫到硅的导带底和价带顶形成电子
‑
空穴对，高能光子损失的能量
(h
ν
‑
Eg)
最后是通过热量的形式耗散掉的，这部分损失掉的能量占总能量的
32
％，这个能量损失通常被称为热损失
。
能量低于
Eg
的光子不能被硅吸收以产生电子
‑
空穴对，这部分损失能量占总量的
19
％，因此，因此在理想情况下，太阳光中能够被硅吸收并转换成电子
‑
空穴对的实际能量利用率仅为
49
％
。
考虑到光生载流子的输运和收集的损失，也就是电学损失，它包括硅表面及体内的光生载流子复合
、
硅和金属电极的电阻以及它们之间的接触电阻等的损失，因此，传统的晶体硅太阳能电池的理论极限效率为
29.4
％
。
突破这一效率极限的方法可以通过减少高能光子的热损失来实现，例如在硅电池上堆叠其他电池
(
如钙钛矿
/
硅叠层电池
)
，但这种叠层电池会使得电池的制备工艺变得复杂，增加了电池的制造成本
。
[0003]在并四苯等有机材料中，由光激发产生一个具有较高能量的单重态激子
S1，然后
S1态激子把其能量的一半转移给另一个处于基态的分子
S0，随后
S1态激子和
S0态分子快速转变为两个具有较低能量的三重态激子
T1。
在单重态裂变中，高能量的激子是单重态激子，具有零磁矩
(
零自旋
)
，而低能量的激子是三重态激子，自旋为
1。
由于量子力学自旋选择规则，三重态激子不能以辐射的形式跃迁至基态，这种跃迁禁阻延长了三重态激子的寿命，使得这些激子在解离成自由载流子之前可以传输的距离比三重态激子更长
。
如果在硅电池上覆盖一层并四苯，吸收1个光子后通过激子裂变产生2个三重态激子，当这些三重态激子转移到硅中并全部解离成自由载流子时，就可以利用一个高能光子来产生两个电子
。
通过单重态激子裂变来敏化晶体硅太阳能电池，可以减少高能光子的热损失，由于不涉及额外的电学接触，也不涉及对硅太阳能电池原有制备工艺的改变，这被认为是一种潜在的简单而有效的提高硅电池的光电转换效率的方法
。
[0004]利用并四苯的单重态激子裂变效应来提高晶体硅太阳能电池效率的关键是，如何让在并四苯中产生的两个激子转移到硅中
。
为了减少光生载流子在晶体硅表面的复合，在硅表面通常会沉积一层诸如氮化硅
、
氧化铝
、
氧化硅之类的钝化薄膜，因此，并四苯中产生的电子必须穿过这层钝化膜，才能到达晶体硅
。
但是，目前的晶体硅电池表面钝化层对于激子迁移距离来说还是太厚了
。2019
年美国麻省理工学院的
Markus Einzinger
等人采用厚度仅为
0.8nm
铪氮氧化物作为晶体硅表面的钝化层，并四苯平均每吸收1个光子有
1.3
个电子
穿过氮氧化铪钝化层被转移到硅中，三重态激子的能量转移效率达到了
133
％
。
当氮氧化铪的厚度从
0.8nm
增加到
1.6nm
时，电池的效率从
5.1
％大幅降低至
0.9
％，他们认为具有几个原子层厚度的铪氮氧化物层具有强的场致钝化效应，有效地延缓了电子
‑
空穴对的淬灭，但是氮氧化铪的厚度增加到
1.6nm
时，这种效应就消失了，他们并没有给出合理的解释
。
尽管如此，他们证明了采用单重态激子裂变提高硅太阳能电池效率是行之有效，并且这种敏化并没有引入复杂设计的
。
[0005]采用厚度为
0.8nm
的氮氧化铪作为并四苯与晶体硅的中间过渡层，可以实现单重态激子裂变能量高效转移到晶体硅中，但是，氮氧化铪的厚度必须严格控制在小于
1.0nm
，而且它的化学计量比和缺陷密度也必须要得到精确控制，这对于产业化生产来说几乎是不可能完成的
。
因此，必须寻找替代氮氧化哈的新方案
。
[0006]硅表面的化学改性可以为替代氮氧化哈提供解决方案，通过在硅表面化学产生无氧化物表面，使能产生单重态激子裂变的生色团分子直接结合在硅表面上，这种表面可以通过湿法化学法在硅表面产生表面带氢键的方法来获得
。
因此，可以采用经过无氧化物的硅表面来替代氮氧化哈作为并四苯与晶体硅的中间过渡层，实现激子能量的高效转移，这对于基于单重态激子裂变敏化的硅太阳能电池的产业化是完全可行的
。
[0007]另外，并四苯
、
并五苯及其衍生物是目前典型的能够发生高效率单重态激子裂变的发色团，但是并四苯
、
并五苯的稳定性和溶解性还有待改善，其衍生物的制备成本高
、
产率低，这限制了它们在敏化晶体硅电池方面的潜在应用
。
苝二酰亚胺
(perylene diimide
，
PDI)
的合成工艺简单且易修饰，在可见光范围内可以产生强的光吸收和荧光，并且具有优异的热稳定性
、
化学稳定性和光稳定性，因此
PDI
被广泛应用于有机场效应晶体管
、
有机太阳能电池等半导体器件之中
。PDI
分子的单重态激子能量为
2.23eV
，三重态激子能量
(1.14eV)
与晶体硅的带隙非常接近，因此，这样的能量匹配使得硅成为高效转移
PDI
中单重态激子裂变能量的理想对象
。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种高效率的基于苝二酰亚胺敏化的晶体硅太阳能电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于苝二酰亚胺敏化的晶体硅太阳能电池，包括
N
型单晶硅基底层，其特征在于：基底层正面依次为烷基化
‑
苝硅层
、
苝二酰亚胺层，基底层背面为叉指接触层，所述的叉指接触层包括条纹状重复的氧化钼
‑
氧化铝
‑
氟化锂
‑
氧化铝条带，其中氧化钼和氟化锂条带上具有金属铝叉指
。2.
如权利要求1所述的晶体硅太阳能电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)
对
N
型单晶硅片清洗；
2)
取
1.0g
苝二酰亚胺溶解至
10mL
的三乙胺与乙腈混合溶液，加热至
110
～
120℃

【专利技术属性】
技术研发人员：黄仕华，鲁章波，池丹，李林华，楼刚，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：