[发明专利]纳米结构的宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法

说明书

技术领域

本发明属于宽禁带半导体领域，具体涉及纳米结构的宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法。

背景技术

太阳能光伏发电正在成为全球应对未来低碳经济挑战的一种重要技术。为了降低光伏发电成本及拓宽其应用领域，染料敏化和有机太阳电池成为当前科学研究的前沿和热点，并获得国内外产业界的关注。1991年，等利用具有大比表面的二氧化钛薄膜和宽光谱响应的多吡啶钌染料取得了染料敏化太阳电池（DSC）的重大突破（Nature，1991,353,373），全球科技和产业界开始比较严肃的考虑这种技术的实用性。近两年来，基于钴配合物氧化还原电对的染料敏化太阳电池效率取得了连续提高，目前已超越传统碘基器件的最高效率。不过钴基器件仍面临一些挑战：相对于传统的碘基多电子媒介体，钴基单电子媒介体的电荷转移重组能较低，所参与反应的活化能较小，界面电荷复合快，直接影响器件的光电压，严重时甚至降低短路时的电荷收集效率。为取得器件性能的重大突破，需严格调控纳米结构宽禁带半导体的表面功能区的微结构，控制界面电子复合反应的隧穿距离，提高光电转换所涉及的各个电荷转移过程的量子效率，同时减小自由能损失。

发明内容

本发明的目的是为了改善当前钴基单电子媒介体的使用所引发的电荷转移重组能较低，所参与反应的活化能较小，短路时的电荷收集效率降低等问题而提供的纳米结构的宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法。

本发明首先提供了宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法，包括如下：

（1）将纳米结构的宽禁带半导体电极浸入染料溶液中进行染色；

（2）将上述染色后的半导体薄膜浸入含有填充剂的溶液中进行染料分子层缺陷的填充；所述的染料在填充剂的溶液中的溶解度小于10微摩尔每升。

上述宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法得到的半导体电极在染料敏化太阳电池中的应用。

本发明的有益效果

本发明首先提供了宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法，该方法先将纳米结构的宽禁带半导体电极浸入染料溶液中进行染色；然后将上述染色后的半导体薄膜浸入含有填充剂的溶液中进行染料分子层缺陷的填充；所述的染料在填充剂的溶液中的溶解度小于10微摩尔每升。该填充方法可以有效减小半导体薄膜表面染料分子层缺陷，从而阻挡电子受体靠近半导体薄膜表面，延长电子转移反应的隧穿距离。

本发明还提供上述宽禁带半导体的表面分子层缺陷的填充方法得到的半导体电极在染料敏化太阳电池中的应用，该填充方法可以控制界面复合反应的电子隧穿距离，从而减慢染料敏化太阳电池界面电荷复合，提高器件的光电压、光电流和功率转换效率。实验结果表明：在模拟AM1.5G太阳光辐照条件下，利用填充剂对接枝有染料（如C106）的半导体薄膜进行分子层缺陷填充的器件，电子寿命变长，界面电荷复合减慢，器件的开路电压从783毫伏提高到861毫伏，短路电流从9.73毫安每平方厘米提升到15.08毫安每平方厘米，功率转换效率从5.8%提升到9.5%。

附图说明

图1是本发明对比例1和实施例1得到的染料敏化太阳电池的电子寿命（τ）对偏压（V）的依赖关系；

图2是本发明对比例1和实施例1得到的染料敏化太阳电池的波长（λ）依赖的外量子效率（IPCE）图；

图3是本发明对比例1和实施例1得到的染料敏化太阳电池的光电流密度（j）-电压（V）特征曲线图；

图4是本发明对比例2和实施例2得到的染料敏化太阳电池的电子寿命（τ）对偏压（V）的依赖关系；

图5是本发明对比例2和实施例2得到的染料敏化太阳电池的波长（λ）依赖的外量子效率（IPCE）图；

图6是本发明对比例2和实施例2得到的染料敏化太阳电池的光电流密度（j）-电压（V）特征曲线图；

图7是本发明对比例3和实施例3得到的染料敏化太阳电池的电子寿命（τ）对偏压（V）的依赖关系；

图8是本发明对比例3和实施例3得到的染料敏化太阳电池的波长（λ）依赖的外量子效率（IPCE）图；

图9是本发明对比例3和实施例3得到的染料敏化太阳电池的光电流密度（j）-电压（V）特征曲线图；

图10是本发明对比例4和实施例4得到的染料敏化太阳电池的电子寿命（τ）对偏压（V）的依赖关系；

图11是本发明对比例4和实施例4得到的染料敏化太阳电池的波长（λ）依赖的外量子效率（IPCE）图；

图12是本发明对比例4和实施例4得到的染料敏化太阳电池的光电流密度（j）-电压（V）特征曲线图；