[发明专利]杂化光伏电池和相关方法

说明书

本发明涉及太阳能电池及其制备，并且特别涉及纳米棒-纳米晶体-聚 合物杂化太阳能电池。

为了从电磁辐射产生有用的电流，光伏(PV)电池必须吸收入射辐射以 使得电子从价带跃至导带(从而在价带中留下空穴)，并且必须能够分离电 子和空穴，并且将这些电荷载流子输送至它们各自的电极，之后它们重新 结合。

为了以商业上另人满意的效率实现这些基本的性能，采用了许多基于 各种材料的不同策略，成功的程度不同。代表性的器件包括晶体无机太阳 能电池(例如，硅、锗、GaAs)、纳米晶体染料敏化太阳能电池、半导体- 聚合物太阳能电池、纳米粒子太阳能电池，和更近一些的结合和组合了来 自其它策略的上述组件的复合太阳能电池。

硅是迄今为止最通常使用的用于制备无机光伏电池的材料。这些电池 依赖于硅吸收光，因而产生激发的电子-空穴对且所述的激发的电子-空穴 对随后在p-n结处分离的能力。由p-n结产生的电场促进这样的分离，原 因在于电子和空穴穿过材料移动的方式，即，电子移动到较低能级，而空 穴移动到较高能级。

p-n结的产生通常涉及在惰性气氛中高温处理，以形成不可弯曲且昂 贵的非常纯的晶体硅晶片。因为硅是间接半导体，典型地需要较厚的层以 实现良好的吸收水平，这进一步增加材料成本。最纯(且昂贵)的硅光伏电 池的效率在20％的数量级；较便宜的非晶硅电池的效率为约5-10％。

目前的商业PV系统可以将5％至15％的日光能转化成电力。这些系统 是高度可靠的并且通常延续20年以上。通过较不昂贵的低温技术制备太 阳能电池的可能性非常有吸引力。因此，纳米晶体染料敏化太阳能电池 (DSSC)、半导体-聚合物太阳能电池和纳米粒子太阳能电池享受到广泛的 兴趣。

半导体的聚合物可以用于制备有机光伏电池。这些聚合物的性质可以 通过组成单体的官能化来调整。这样，许多具有合适的带隙、吸收特性和 物理性质的聚合物是可用的。为了实现电子-空穴对的分离，有机光伏电池 依赖于给体-受体异质结。在聚合物中，激发态的电子和空穴以称为激子的 准粒子形式结合在一起，并且一起移动。它们保持在一起，直至它们遇到 将它们分离的异质结。不幸的是，激子是非常短命的并且在重新结合之前 仅可以移动约10nm。因此，所吸收的任何距离异质结比此扩散长度远的 光子都将被浪费。与电荷迁移率高得多的硅(1500cm²V^-1s^-1)相比，聚合物 的电荷迁移率通常是低的(0.5-0.1cm²V^-1s^-1)。目前的现有技术的聚合物光 伏电池具有1-2％的效率。尽管这样的效率是低的，但是这些材料有希望 用于低成本、柔性的太阳能电池。

无机纳米粒子(或纳米晶体)已被用于制备胶体、薄膜PV电池，它们在 保持无机光伏电池的许多优点的同时显示出聚合物光伏电池的某些优点。 例如，这样的电池可以包括含有给体层和受体纳米粒子层的双层结构，其 中所述的两层显示出很少的杂化，并且二者对所测得的光电流均有贡献。 这些器件显示出的强光电导效应表明这些材料具有大量被截流的载流子， 并且与用p-n带模型相比，用给体-受体分子模型描述更好。与体积半导体 (bulk semiconductors)的带隙能量相比，增加的带隙能量将可用的载流子的 数目最小化，并且在不同相中给体和受体粒子的空间分离截流激子，使得 它们必须在受体-给体异质结处分裂。没有能带弯曲，所以激子的分裂更困 难。

应当强调，将给体和受体纳米粒子简单地混合到一起并不制成产生光 电压的膜。在电极处对一种粒子或另一种粒子的没有选择性表示电极可以 与给体和受体物种均发生接触。这些物种可以采取纳米棒而非纳米球的形 式，因为具有高纵横比的纳米棒有助于分散载流子。激子沿纳米棒长度的 迅速迁移改善了在给体-受体异质结处分裂激子的机会。

例如CdSe棒的溶液加工可以获得直径的5％和长度的10％的尺寸分 布，其中纵横比为20且长度为100nm。通过溶液加工可得的实质控制允 许通过纳米棒长度和带隙能量的改变将电池最优化。