[发明专利]一种基于选择性隧穿原理的太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于选择性隧穿原理的太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能电池是目前利用太阳能最高效、最有发展前景的手段之一。而目前商品化的晶体硅、非晶硅、砷化镓、铜铟镓硒、碲化镉等太阳能电池由于其高昂的成本限制了太阳能电池的广泛使用(Nature.2001,414,338)。为了降低太阳能电池的成本和满足光伏建筑一体化等特殊场合太阳能的使用，有机柔性太阳能电池(Chem.Rev.2010,110,6689)、染料敏化太阳能电池(Chem.Rev.2010,110,6595)、纳米太阳能电池(Chem.Rev.2010,110,6873)等第三代新型太阳能电池的研发引起了广泛的研究兴趣。为了使太阳能发电更加普及，现在迫切需要提出新的太阳能电池原理和思路来制备出高效、廉价、实用的太阳能电池。

石墨烯是一种具有单原子层厚度的二维平面半金属材料，有着独特的电学、光学、力学特性(Rev.Mod.Phys.2009,81,109)。由于其良好的导电性、化学稳定性与透光性，已经被尝试着作为新一代电极材料应用于各种膜电池与染料敏化电池中(Nature Photon.2010,4,611)。此外，由于石墨烯Dirac锥形能级结构、能级位置可调、单原子层厚度，可以实现光电能调控，这些将会为设计新型太阳能电池提供新的机遇。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于选择性隧穿原理的太阳能电池及其制备方法，本发明中太阳能电池将电子接受层与空穴接受层放置在了光激发材料的同侧，结合电子隧穿与能级位置匹配的关系，从全新的视角实现了光生电子和空穴的同侧收集，用简单一层石墨烯代替了传统染敏太阳能电池中复杂的电解质与对电极，提供了全新结构的太阳能电池。

本发明所提供的一种基于选择性隧穿原理的太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：

（1）制备表面平整的宽禁带半导体；

所述宽禁带半导体为二氧化钛或二氧化锌；

（2）将石墨烯转移至所述宽禁带半导体的一表面上，然后继续在所述石墨烯上组装光激发材料得到光激发材料层；

（3）在所述宽禁带半导体的另一表面组装低功函金属，即得到所述太阳能电池。

上述的制备方法中，所述宽禁带半导体为二氧化钛，其通过下述1）-4）中任一种方法制备：

1）二氧化钛单晶基片的表面进行机械抛光，然后依次在HF水溶液和氧等离子体中进行刻蚀以进行化学抛光，即得；

2）在经机械抛光的钛片上经磁控溅射蒸镀钛，然后在氧气中退火将钛氧化成二氧化钛，再依次在HF水溶液和氧等离子体中进行刻蚀以进行化学抛光，即得；

3）在氧等离子气氛中，以金属钛为靶材，用磁控溅射蒸镀二氧化钛，然后依次在HF水溶液和氧等离子体中进行刻蚀以进行化学抛光，即得；

4）在真空条件下，以二氧化钛颗粒为靶材，用电子束蒸镀以二氧化钛，然后依次在HF水溶液和氧等离子体中进行刻蚀以进行化学抛光，即得。

上述的制备方法中，所述宽禁带半导体为二氧化锌，其通过下述方法制备：氧化锌单晶的表面进行机械抛光，然后依次在HF水溶液和氧等离子体中进行刻蚀以进行化学抛光，即得。

上述的制备方法中，步骤（2）中，所述光激发材料可为Z907染敏分子、染敏Dye-1分子、聚-3-己基噻吩或PbS；

所述Z907染敏分子的结构式如式Ⅰ所示，所述敏Dye-1分子的结构式如式Ⅱ所示，

式Ⅰ

式Ⅱ。

上述的制备方法中，所述光激发材料通过下述方法进行组装：

1）所述光激发材料为所述Z907染敏分子，所述Z907染敏分子通过浸涂法或旋涂法组装到所述石墨烯上；得到的光激发材料层的厚度为单个Z907染敏分子的厚度；

2）所述光激发材料为所述染敏Dye-1分子，所述染敏Dye-1分子通过浸涂法组装到所述石墨烯上；得到的光激发材料层的厚度为单个染敏Dye-1分子的厚度；

3）所述光激发材料为所述聚-3-己基噻吩，所述聚-3-己基噻吩通过旋涂法组装到所述石墨烯上；得到的光激发材料层的厚度为3～5nm；

4）所述光激发材料为PbS，在真空条件下，以PbS粉末为靶材进行电子束蒸镀；得到的光激发材料层的厚度为3～5nm。

上述的制备方法中，步骤（3）中，所述低功函金属可为钛、铝、铟或铟镓合金。

上述的制备方法中，所述低功函金属通过下述方法进行组装：