本发明专利技术制造了光伏电池，在所述光伏电池中，对光吸收层和电子接受层的组分进行选择，以使得在没有太阳照射时这两层之间的结的至少一侧的电荷载流子（即，自由电子和自由空穴）大体上被耗尽。在本发明专利技术的其它方面，所述光吸收层包括双壳层钝化的量子点，各个所述量子点具有量子点内核、内壳层和外壳层，所述量子点内核具有表面阴离子，所述内壳层含有对所述内核表面阴离子进行钝化的阳离子，所述外壳层对所述内壳层阴离子和所述内核表面上的阴离子进行钝化。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光 伏电池和量子点的领域。
技术介绍
通过光伏效应产生电力的太阳能电池既需要低成本，又需要高效率，以便此类电池能够提供实用的发电手段来替代常规的发电手段。一种能够降低光伏电池的制造成本的途径是通过利用溶液处理来形成作为该电池的一部分的集光材料层。然而，此类电池的效率取决于包括该集光材料在内的电池材料。最理想的集光材料是以下材料该材料通过使太阳射线的在可见光光谱和红外线光谱中的吸收都最大化来实现高的短路电流密度Js。，且该材料从每个被吸收的光子以高的开路电压V。。和高的填充因数FF的形式获取高水平的功。对于输入的太阳光强度Pstjlm (通常为100 mff cm_2)，功率转换效率η被定义如下。 VJscFF~ solar文献“Infrared photovoltaics made by solution processing，，(Sargent, E. , Nat. Photonics 3,325-33 I (2009))和“Solar cells from colloidal nanocrystals:Fundamentals, materials, devices, and economics，，(H. S. , et al. , Curr.Opin. Colloid Interface Sci. 14，245-259 (2009))披露了如下内容通过将胶体量子点(colloidal quantum dot)用作集光材料，使得光伏电池具有高的功率转换效率。胶体量子点光伏提供了通过溶液处理来形成集光层的能力，还提供了在宽的范围上调谐带隙的能力，这在单结电池和多结电池中均可以带来益处。调谐带隙的能力也使得能够使用廉价的、丰富的原来不适用于光伏能量转换的超低带隙半导体。如文献 “Photovoltaic devices employing ternary PbSxSe1^ Nanocrystals，，(Ma, ff. , etal. , Nano Lett. 9，1699-1703(2009))等中的报道，通过将铅硫族化物量子点和肖特基结(Schottky junction)组合起来，实现了效率为3. 4%的光伏电池。通过使具有由胶体量子点构成的薄膜层的纳米多孔TiO2电极敏化，实现了 3. 2%的功率转换效率，由此也获得了显著的进步。例如可以参考文献“Highly efficient CdSe quantum-dot-sensitizedTi02photoelectrodes for solar cell application，，(Fan, S. , et al. , Electrochem.Commun. 11，1337-1330(2009))。然而，胶体量子点和肖特基装置均存在着对光伏效率的某些限制。在肖特基装置中，V。。值和FF值均远远落在它们的潜力之下；而在由胶体量子点光敏化的电池中，尽管V。。和FF增大了，但Jse值通常较低。
技术实现思路
目前已发现，通过将集光纳米颗粒层与电子接受材料层进行配对，使得在装置未被照射时这两层之间的结在该结的至少一侧上的自由电子和自由空穴都大体上被耗尽，就能够显著减少或克服如上所述的胶体量子点光伏的限制。实现上述这种耗尽的有效手段是为这两层选择具有不同带隙大小的材料。于是，因为处于上述结的两侧上的是两种不同的材料，所以这样的结是异质结，并且特别地，由于在该结的附近存在低量的自由电子和自由空穴或者不存在自由电子和自由空穴，因而这样的结是耗尽型异质结。上述耗尽是由从电子接受接触部到纳米颗粒的电荷迁移而引起的。在本专利技术的某些实施例中，纳米颗粒是量子点，其包括P型胶体量子点，并且电子接受层是金属氧化物或包括金属氧化物。与具有非常高的自由电子密度的肖特基结的金属接触部的电荷密度相比，上述耗尽至少部分地有助于让电子接受层中的电荷密度相对较低。 与现有技术的光伏装置相比，本专利技术范围内的光伏装置的特定实施例提供了另外的优点。例如，当将金属氧化物用作电子接受层时，这使得光伏装置能够被构造如下该电子接受层作为该光伏装置的前表面或作为太阳射线进入形成光伏结的两个半导体层时首先穿过的那一层。于是，由上述射线释放的电子更不容易与空穴复合，这是因为这些实施例中的电子在到达它们的目标电极之前具有更短的行程距离。而且，与金属-半导体肖特基结相比，在上述结是位于金属氧化物和量子点之间的结的实施例中，该结被更好地界定并且更容易钝化，因而更不易于出现缺陷。这就避免了在界面处出现费米能级钉扎。而且，在这些实施例中，通过在价带中引入大的不连续性并通过让界面处的电子密度最小化，与肖特基装置相比呈现出了更小的针对空穴注入的势垒。还发现，通过在纳米晶体上沉积阳离子以形成第一壳层或内壳层并且在第一壳层上沉积阴离子以形成第二壳层或外壳层，通常提高了光伏装置中和光电装置中的纳米晶体的性能，尤其是提高了具有表面阴离子的纳米晶体的性能。上述内壳层和上述外壳层一起钝化纳米晶体上的往往会破坏该纳米晶体的量子局限(quantum confinement)的表面缺陷。已知的是，通过在纳米晶体表面上布置诸如乙二硫醇(ethanedithiol)、丁胺或巯基丙酸之类的短有机配体(ligand)，可以实现钝化。当使用阳离子壳层和阴离子壳层来代替这些配体时，就提供了如下优点阳离子壳层不是如同有机配体往往会结合到阳离子那样，而是结合到纳米晶体表面上的阴离子，而且这样的离子结合在暴露于空气和光中、尤其暴露于湿气、氧气和热中时是稳定的。这些阳离子壳层和阴离子壳层的其它优点在于通过避免对有机配体的需要，这些壳层使得纳米晶体能够以彼此非常靠近的方式驻留在光吸收膜中，并由此提高了电子波函数重叠(electron wave function overlap)和载流子迁移率，这些都是有机配体通常会妨碍的可贵特征。附图说明图I是本专利技术范围内的耗尽型异质结光伏电池示例的电流密度和电压的关系曲线。图2是本专利技术范围内的耗尽型异质结光伏电池示例的电流和电压的关系曲线。图3是本专利技术范围内的耗尽型异质结光伏电池示例的外量子效率(externalquantum efficiency ；EQE)和波长的关系曲线。图4是本专利技术范围内的耗尽型异质结光伏电池示例的装置电容和偏置电压的关系曲线以及装置电阻和偏置电压的关系曲线。图5表示了本专利技术范围内的具有双壳层钝化量子点的耗尽型异质结光伏电池示例的吸收光谱。图6是本专利技术范围内的具有双壳层钝化量子点的耗尽型异质结光伏电池示例的载流子寿命和光强度的关系曲线。图7是本专利技术范围内的具有双壳层钝化量子点的耗尽型异质结光伏 电池示例的电流密度和电压的关系曲线。具体实施例方式本文所使用的用于表征异质结的邻近区域的术语“大体上被耗尽”表示该(这些)区域中的电荷密度比肖特基结的金属侧的电荷密度小多个数量级。在本专利技术的某些异质结区域中，电荷密度比传导性金属的电荷密度小三个以上的数量级，并且在这些区域之中的很多区域中，电荷密度比传导性金属的电荷密度小四个以上、五个以上或六个以上的数量级。当异质结的η型电子接受层侧存在耗尽电荷密度时，能够实现特别有效的结果。在本专利技术的很多实施例中，耗尽区域中的电荷密度的范围为IX IO本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：唐将，安德拉斯·帕坦特亚斯亚伯拉罕，伊利亚·克雷默，阿伦·巴克浩斯，王西华，拉坦·德博纳斯，爱德华·H·萨金特，康斯坦塔托斯·耶拉西摩斯，
申请(专利权)人：多伦多大学董事局，
类型：
国别省市：
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