本发明专利技术公开了基于一维半导体纳米材料的级联太阳能电池及其制备方法。该级联太阳能电池以一维半导体纳米材料作为吸光材料和导电通道，其两端是非对称的金属电极：一端为钯电极，另一端为钪或钇电极；在所述非对称的金属电极之间的导电通道上具有n-1个虚电极对，将导电通道分为串联在一起的n个单元器件，所述虚电极对由连在一起钯虚电极和钪或钇虚电极组成，其中钯虚电极在靠近钪或钇电极一侧，钪或钇虚电极在靠近钯电极一侧。通过虚电极对的引入，无需掺杂即可实现电池的级联，使电池的输出光电压倍增。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太阳能电池，特别是基于一维半导体纳米材料，例如半导体碳纳米管构建的级联高效太阳能电池。
技术介绍
太阳能电池作为清洁能源的代表，将来是地球能量的一个重要来源，目前是各国科学家的研究热点。基于传统半导体材料的太阳能电池，虽然效率较高，但是由于价格较高，难以更大规模应用。而一维半导体纳米材料具有独特的电学特性和光学特性，被认为是构建新型高效的低成本太阳能电池的优选材料。碳纳米管作为一维半导体材料的代表， 具有构建高效纳米光电子器件特别是太阳能电池的几乎所有需要的优异性质。首先，半导体纳米碳管是直接带隙材料，具有很好的吸光特性。其次，碳纳米管具有极高的室温迁移率，是良好的导电通道材料。此外，碳纳米管薄膜具有极低的光反射系数。碳纳米管的低维特性还使得碳纳米管中的光生载流子倍增效应远远高于相应的块体半导体材料，使得基于一维纳米材料的太阳能电池光电转换效率具有超越通常块体材料光电转换效率理论极限的可能。最后尤其重要的是，半导体碳纳米管同时具有近乎完美的电子型接触金属钪(Sc) [Z. Y. Zhang, X. L. Liang, S. Wang, K. Yao, Y. F. Hu, Y. Ζ. Zhu, Q. Chen, W. W. Zhou, Y. Li, Y. G. Yao, J. Zhang, and L. -Μ. Peng, Nano Letters 7(12) (2007) 3603和金属 乙(Y)L. Ding, S. Wang, Z. Y. Zhang, Q. S. Zeng, Ζ. X. Wang, T. Pei, L. J. Yang, X. L. Liang, J. Shen, Q. Chen, R. L. Cui,Y. Li, and L. -M. Peng, Nano Letters 9 Q009) 4209，以及空穴型接触金属PdA. Javey, J. Guo,Q. ffang,M. Lundstrom,H. J. Dai,Nature 424(2003)654。采用不同的金属分别实现电子和空穴的欧姆接触为构建基于碳纳米管的高性能太阳电池提供了保证。 在半导体碳纳米管两端分别采用Pd和&接触电极已经成功制备出高性能的光电二极管S. Wang, L. H. Zhang, Ζ. Y. Zhang, L. Ding, Q. S. Zeng, Ζ. X. Wang, X. L. Liang, M. Gao, J. Shen, H. L. Xu, Q. Chen, R. L. Cui，Y. Li and Lian-Mao Peng, J. Phys. Chem. C 113(2009)6891], 种结构的光电二极管具有较好的光电转换特性。但作为太阳能电池应用而言，基于这种结构的单个太阳能电池的一个明显的缺点是输出光电压太小，这主要是由于碳纳米管材料的能隙相对较小。一般来讲，半导体碳纳米管的能隙与纳米管的直径成反比关系。一个半导体碳纳米管的能隙大小约为I = 0. 7/d，其中d为碳纳米管的直径。一个典型的直径为2 纳米的碳纳米管的能隙约为0. 35电子伏特。考虑到实际光电二极管中存在的损耗，一般碳纳米管光电二极管所产生的开路光电压大约只有相应的能隙所对应的电压的一半左右。即对于一个典型的直径为2纳米的碳管，典型的光电压为0. 2伏特。对于太阳能电池的应用而言，这个电压值太小，严重妨碍了基于碳纳米管太阳能电池的实际应用。为满足实际应用的需要，传统太阳能模块增加输出开路电压的途径是将若干个低电压的电池串联起来。传统硅基电池的光电压约为0.5伏特。一个太阳能电池模块是将大约30个电池串联起来，共同组成一个能够产生约12伏特输出电压的太阳能电池模块。由于一个太阳能电池的尺寸约为10厘米XlO厘米，这些电池的串联可以很简单地在完成单个电池后再在外部进行。例如用一根导线将前一个电池的阳极连到下一级电池的阴极。但对于碳纳米管电池来讲，一根大约1. 5微米长的碳纳米管即可产生饱和开路光电压和短路光电流，一个单元光电二极管的尺寸大约在几个微米。通过外部电路将碳纳米管太阳能电池串联起来是不现实的，也是不经济的。传统的多结级联的太阳能电池一般采用隧穿结的方式将不同材料或者相同材料的太阳能电池进行连接，隧穿结工艺复杂，需要考虑品格匹配，电流匹配等多种因素，如需要采用不同的重掺杂材料进行连接，隧穿结的性能往往决定了电池的最后效率。因此一种新型的方便、稳定、简单的将基于一维纳米结构的太阳能电池串联起来的方法对于构建基于一维纳米材料的规模的太阳能系统具有极为重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种将基于一维半导体纳米材料的太阳能电池串联起来的方法，获得一种新型的基于一维半导体纳米材料的级联太阳能电池，提高相应太阳能电池模块的开路电压。本专利技术的技术方案如下一种基于一维半导体纳米材料的级联太阳能电池，以一维半导体纳米材料作为吸光材料和导电通道，其两端是非对称的金属电极一端为钯(Pd)电极，另一端为钪(Sc)或钇(Y)电极；其特征在于，在所述非对称的金属电极之间的导电通道上具有n-1个虚电极对，将导电通道分为串联在一起的η个单元器件，所述虚电极对由连在一起钯虚电极和钪或钇虚电极组成，其中钯虚电极在靠近钪或钇电极一侧，钪或钇虚电极在靠近钯电极一侧， η为大于1的正整数。上述级联太阳能电池中，所述一维半导体纳米材料可以是碳纳米管或其他的一维半导体纳米材料，如一维硅纳米线、宽度小于5nm的单层或者双层石墨烯纳米条带，均可以适用于上述结构，优选为本征半导体碳纳米管。对于导电通道为碳纳米管的上述级联太能能电池，每个单元器件的导电通道长度优选为1 2微米，即虚电极对之间的间隔为1 2微米，最优选为1. 5微米。本专利技术中所述“虚电极”是指不与太阳能电池外加负载电路直接连接的电极，在级联太阳能电池中既充当单个电池的电极又起着电池级联连接的作用。所述虚电极对中的钯虚电极和钪(或钇)虚电极之间可以部分重叠。本专利技术的级联太阳能电池通过在一维半导体纳米材料的外部电极(可与外部电流相连的电极)之间加入一些虚电极对来达到增加外部输出开路电压的目的。其原理如下图1所示的是一个非对称接触的半导体性碳纳米管光电二极管。二极管的导电通道由一根长度约为1. 5微米的本征半导体碳纳米管1构成。碳纳米管1的一端电极2由金属钯Pd构成，另一端电极3由金属钪&或钇Y构成。在正偏压V作用下，&或￥电极处的电位提高，Pd电极处的电位降低，当两者差超过碳纳米管能隙&所对应的电位差时，电子和空穴可以通过相应的& (或Y)电极和Pd电极无势垒地被注入到碳纳米管的导带(电子)和价带(空穴)，形成随偏压迅速增加的电流。在反偏压下，电子和空穴的注入都要经过一个和碳纳米管能隙相当的势垒，导致很小的反向电流，且反向漏电流基本不随反向偏压变化。该碳纳米管二极管的电压-电流关系可以很好地用一个标准的二极管方程来描述S. Wang, Ζ. Y. Zhang, L. Ding, X. L. Liang, J. Shen, H. L. Xu, Q. Chen, R. L. Cui, Y. Li, and L. -M. Peng,本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种级联太阳能电池，以一维半导体纳米材料作为吸光材料和导电通道，其两端是非对称的金属电极：一端为钯电极，另一端为钪或钇电极；其特征在于，在所述非对称的金属电极之间的导电通道上具有ｎ－１个虚电极对，将导电通道分为串联在一起的ｎ个单元器件，所述虚电极对由连在一起钯虚电极和钪或钇虚电极组成，其中钯虚电极在靠近钪或钇电极一侧，钪或钇虚电极在靠近钯电极一侧，ｎ为大于１的正整数。
【技术特征摘要】
1.一种级联太阳能电池，以一维半导体纳米材料作为吸光材料和导电通道，其两端是非对称的金属电极一端为钯电极，另一端为钪或钇电极；其特征在于，在所述非对称的金属电极之间的导电通道上具有n-1个虚电极对，将导电通道分为串联在一起的η个单元器件，所述虚电极对由连在一起钯虚电极和钪或钇虚电极组成，其中钯虚电极在靠近钪或钇电极一侧，钪或钇虚电极在靠近钯电极一侧，η为大于1的正整数。2.如权利要求1所述的级联太阳能电池，其特征在于，所述一维半导体纳米材料是碳纳米管。3.如权利要求2所述的级联太阳能电池，其特征在于，所述一维半导体纳米材料是本征半导体碳纳米管。4.如权利要求2所述的级联太阳能电池，其特征在于，所述单元器件的导电通道长度为1 2微米。5.如权利要求1所述的级联太阳能电池，其特征在于，所述虚电极对中的钯虚电极和钪或钇虚电极之间部分重叠。6.权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：彭练矛，王胜，张志勇，杨雷静，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：11
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