[发明专利]一种量子点敏化太阳电池

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池领域，具体为一种量子点敏化太阳电池。

背景技术

量子点敏化太阳能电池（QDSCs）是染料敏化太阳能电池（DSCs）的重要分支，其结构与DSCs是一致的。QDSCs与DSCs的主要区别在于，采用无机窄禁带的量子点（QDs）取代染料作为吸收太阳光的敏化剂。QDs的诸多优势，使得QDSCs成为目前科学研究的热点。（1）可以选择的QDs的种类丰富，目前应用于QDSCs的量子点主要是CdS、CdSe、PbS、CuInS2等。每种量子点的本征吸收带边和最佳吸收光的波长范围是不一样的。（2）可以改变QDs的尺寸来改变QDs的禁带宽度。因而，通过调节QDs的种类和尺寸大小可以实现可见光的全吸收。（3）QDs合成方法简便，从而降低了QDSCs的成本。（4）因为QDs的消光系数很高，可以有效减小光阳极的厚度而不影响吸收光的效率，从而进一步降低QDSCs的成本。（5）QDs可以吸收高能光子并产生多个电子，使得QDSCs的效率增长前景广阔。尽管如此，目前量子点敏化太阳电池的效率通常低于7%，要进一步提高量子点敏化太阳电池的效率，必须对电池的设计思想、结构以及电池的各个部件上做出调整。

目前对量子点敏化太阳电池的研究普遍集中在以二氧化钛、氧化锌、氧化锡等n型宽带隙半导体为光阳极材料，基本原理是量子点吸收能量大于其禁带宽度的光子后从基态跃迁到激发态，处于激发态的电子迅速注入到n型宽带隙纳米半导体的导带，随后扩散传输到导电基底，通过外回路到达对电极；处于氧化态的量子点被电解质中的还原剂还原再生，而电解质中的氧化剂在对电极接收电子被还原，从而完成电子输运的一个循环过程。

以纳米结构的量子点敏化光阴极替代传统的贵金属或硫化亚铜对电极构建光阴极量子点敏化太阳电池，其动力学过程与使用n型半导体作为光阳极的量子点敏化太阳电池恰好相反，如图1所示，量子点吸收能量大于其禁带宽度的光子后将电子转移到多硫电解质中；p型半导体价带中的电子转移到量子点的价带中，从而在半导体价带中产生空穴，空穴扩散到底电极经外电路输运到对电极，从而完成空穴输运的一个循环过程。

P型透明氧化物半导体NiO，铜铁矿结构的ABO₂（A=Cu or Ag，B=Al，Cr，Ga，In，Sc，Y等），SrCu₂O₂等材料已经被证明带隙大于3eV，对可见光不吸收且导电类型为p型，同时，这些氧化物非常稳定。但到目前还没有关于ABO₂、SrCu₂O₂作为量子点敏化太阳电池光阴极的发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种量子点敏化太阳电池，实现以p型透明导电氧化物半导体纳米材料作为电池的光阴极。以量子点敏化的光阴极替代传统光惰性的对电极，可以拓宽电池的光谱吸收范围，提高电池效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种量子点敏化太阳电池，包括有两相对的透明导电基底，其特征在于：一个透光导电基底表面镀有贵金属层或硫化亚铜层作为对电极，另一个透光导电基底表面附有含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层，所述含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极，所述对电极和光阴极位置相对，且对电极和光阴极之间有电解质。

一种量子点敏化太阳电池，一个透光导电基底表面附有含量子点敏化的n型氧化物半导体纳米材料层，另一个透光导电基底表面附有含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层，所述含量子点的n型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阳极，所述含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极，所述光阳极和光阴极位置相对，且光阳极和光阴极之间由电解质；所述透光导电基底、含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层、含量子点的n型透明导电氧化物半导体纳米材料层、电解质构成串联量子点敏化太阳电池。

所述p型透明导电氧化物半导体纳米材料可采用NiO；或者是铜铁矿结构的ABO₂，其中A=Cu or Ag，B=Al，Cr，Ga，In，Sc，Y等；或者是SrCu₂O₂。

所述n型氧化物半导体纳米材料可采用二氧化钛，或者是氧化锌，或者是氧化锡。

本发明构成的量子点敏化太阳电池具有透光导电基底、形成在透光导电基底上的含量子点敏化的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极；以及镀有贵金属或硫化亚铜的透光导电基底作为对电极和在对电极、光阴极之间的电解质层。