本发明专利技术提供一种等离激元增强型中间带太阳能电池，所述电池包括：衬底；设在衬底上的背电极；设在背电极上的互补型薄膜；设在所述互补型薄膜上的光电转换薄膜材料；所述光电转换薄膜材料包括具有中间能带的光电转换层、以及设在所述光电转换层上的辅助吸光的纳米金属结构层；绝缘层；以及金属电极。本发明专利技术获得一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池及其组成该电池的光电转换薄膜材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种太阳能电池及其组成该电池的光电转换薄膜材料，具体地涉及一种等离激元增强型太阳能电池，更具体地涉及一种具有中间能带(intermediate bands)的等离激元增强型太阳能电池。
技术介绍
由于全球对能源需求的日益增长和环保意识的提高，世界各国一直研发各种可行的替代清洁能源，其中又以太阳能最受瞩目。太阳能具有取之不尽、用之不竭等优点，是人类解决能源枯竭和环境污染问题的理想清洁能源。利用光电转换原理的太阳能器件，特别是光伏电池，是其能源利用的主要形式和载体。自20世纪70年代美国贝尔实验室首先研制出硅太阳能电池以来，太阳能电池取得了长足的发展，具有多种类型，典型的有硅太阳能电池、Cu(In, Ga) Se2(CIGS), CdTe, Cu2ZnSn(Se, S)4(CZTS)等薄膜电池以及染料敏化太阳能电池等。太阳能难以广泛利用的根本原因是受限于当前器件偏低的光电转换效率与过高的制造成本。如单晶硅电池、CIGS等薄膜电池虽然转换效率较高，但是存在工艺复杂，原材料昂贵，或环境污染的瓶颈。而染料敏化太阳能电池虽然制造相对简单，但面临着转换效率偏低与电池稳定性的问题。综上所述，本领域缺乏一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池。因此，本领域迫切需要开发一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池及其组成该电池的光电转换薄膜材料。
技术实现思路
本专利技术的第一目的在于获得一种转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池。本专利技术的第二目的在于获得一种用于转换效率高、电池稳定以及制造成本合理的太阳能电池的光电转换薄膜材料。本专利技术的第三目的在于提供一种本专利技术所述的光电转换薄膜材料的制备方法。本专利技术的第四目的在于提供所述光电转换薄膜材料在提高光电转换效率方面的应用。在本专利技术的第一方面，提供了一种等离激元增强型中间带太阳能电池，所述电池包括衬底；设在衬底上的背电极；设在背电极上的互补型薄膜；设在所述互补型薄膜上的光电转换薄膜材料；其中，所述光电转换薄膜材料包括具有中间能带的光电转换层、以及设在所述光电转换层上的辅助吸光的纳米金属结构层；绝缘层；以及金属电极。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述的等离激元增强型中间带太阳能电池包括衬底；设在衬底上的背电极；设在背电极上的互补型薄膜；设在所述互补型薄膜上的光电转换薄膜材料；所述光电转换薄膜材料包括具有中间能带的光电转换层、以及设在所述光电转换层上的辅助吸光的纳米金属结构层；其中所述具有中间能带的光电转换层的母体材料优先采用TiO2，也可以选择ai0、si或III-V族半导体等材料；一定厚度的绝缘层，优先选择SiO2或Al2O3材料，厚度在I-IOOnm之间；以及金属电极。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述具有中间能带的光电转换层的母体材料采用Ti02、Zn0、Si或III-V族半导体材料，优选采用Ti02。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述具有中间能带的光电转换层的母体材料含有1 5原子％的杂质原子或杂质原子对，所述百分比以半导体材料的摩尔比计。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述杂质原子是不对等或非补偿型的n-p共掺杂的杂质原子。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述杂质原子对为不对等或非补偿型的η型与 P型原子对组合；优选地，所述杂质原子对为不对等η型与ρ型原子对组合，在一个优选例中，掺入母体材料的η型原子贡献电子而P型原子贡献空穴，但是两者贡献的电子数与空穴数不对等。在一个更优选的例子中，对于优先选择的母体材料TiO2,其中的不对等n-p (也即 η型与ρ型)原子对组合可以选择Cr-N、Mo-N, W_N、Mo-P, W-P或其组合。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述具有中间能带的光电转换层中，引入的中间能带Ei位于其母体材料的价带顶Ev与导带底E。之间。在本专利技术的一个具体实施方式中，所述纳米金属结构层的金属采用Ag、Al、Cu或其组合；所述纳米金属结构层采用的纳米结构为纳米球或纳米壳层。具体地，所述纳米结构的尺寸在1-lOOnm。本专利技术的第二方面提供一种用于等离激元增强型太阳能电池的光电转换薄膜材料，所述光电转换薄膜材料包括具有中间能带的光电转换层；设在所述光电转换层上的辅助吸光的纳米金属结构层。在一个优选例中，所述具有中间能带的光电转换层的母体材料采用Ti02、ZnO, Si 或III-V族半导体材料，优选采用Ti02。在一个优选例中，所述具有中间能带的光电转换层的母体材料含有1 5原子％ 的杂质原子或杂质原子对，所述百分比以半导体材料的摩尔比计。在一个优选例中，所述杂质原子是不对等或非补偿型的n-p共掺杂的杂质原子。在一个优选例中，所述杂质原子对为不对等或非补偿型的η型与ρ型原子对组合；优选地，所述杂质原子对为不对等η型与ρ型原子对组合，在一个优选例中，掺入母体材料的η型原子贡献电子而P型原子贡献空穴，但是两者贡献的电子数与空穴数不对等。在一个更优选的例子中，对于优先选择的母体材料TiO2,其中的不对等n-p (也即 η型与ρ型)原子对组合可以选择Cr-N、Mo-N, W_N、Mo-P, W-P或其组合。在一个优选例中，所述具有中间能带的光电转换层中，引入的中间能带&位于其母体材料的价带顶Ev与导带底E。之间。在一个优选例中，所述纳米金属结构层的金属采用Ag、Al、Cu或其组合；所述纳米金属结构层采用的纳米结构为纳米球或纳米壳层。具体地，所述纳米结构的尺寸在1-lOOnm。本专利技术的第三方面提供一种本专利技术所述的光电转换薄膜材料的制备方法，其包括如下步骤i)，提供具有中间能带的光电转换层；ii)，在所述具有中间能带的光电转换层通过光刻或自组装方法建筑纳米金属结构层。在一个具体实施方式中，光电转换薄膜材料的制备方法如下所述a)，采用不对等或非补偿型n-p共掺杂TW2材料，实现具有中间能带的功能薄膜材料(具有中间能带的光电转换层)；b)，在中间能带材料上通过光刻或自组装等方法建筑纳米金属结构；其中，步骤a)中，不对等n-p共掺杂方法可以采用但不限于气相沉积或者液相生长等方法实现n-p杂质原子的掺入。其中，步骤a)中，不对等n-p共掺杂方法同样适用于在&iO、Si以及III-V族半导体等母体材料上构造中间能带。本专利技术提供一种本专利技术所述的光电转换薄膜材料在提高光电转换效率方面的应用。在一具体实施方式中，所述的中间能带Ei通过不对等n-p共掺杂方法在TW2材料上实现，引入的中间能带Ei应位于薄膜本征材料价带顶Ev与导带底E。之间；所述中间带薄膜的平均厚度在1微米左右；所述的纳米金属结构层可由金属Au或Ag或Al或Cu，或上述材料合金等的纳米结构，如薄膜、球、球壳、管状、柱状等组成，其尺寸在I-IOOnm之间。附图说明图1是等离激元增强型中间带太阳能电池示意图。 具体实施例方式本专利技术人经过广泛而深入的研究，拓展理论和概念，结合已有的制备工艺，获得了提供具有可实现高转换效率的中间能带薄膜材料、增强光吸收的纳米金属结构层的等离激元增强型太阳能电池，并有目的地引入的中间能带，所述太阳能电池能够有效地吸收大量能量低于其带隙的光子，进而实现较高的光电转换效率；而同时引入的纳米金属结构能够有效提高光在所述太阳能电池内的光程，增强所述太本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张振宇，曾长淦，许小亮，崔萍，蓝海平，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：
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