使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极及其制备制造技术

本发明专利技术涉及一种使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极及其制备，其包含由纳米金属氧化物半导体材料、表面覆盖的半导体敏化剂薄膜组成的光阳极、可以发生氧化及还原反应的电解质以及对电极组成，光阳极与对电极使用热封膜隔开，中间注入电解质。其中，光阳极与电解质接触的界面处电解质发生氧化反应，对电极与电解质接触的界面处电解质发生还原反应。特点是光阳极采用n型宽带隙半导体材料，使用原子层沉积技术在宽带隙半导体材料表面生长多种n型半导体敏化剂薄膜组成太阳电池的光阳极，大大拓宽光阳极的吸光范围，同时半导体薄膜敏化层使宽带隙半导体与电解质隔开，大幅降低光生载流子在界面的复合，显著提高太阳电池的效率。

Solar cell light anode using semiconductor film as sensitizer and preparation thereof

The invention relates to a solar battery light anode sensitizing agent and its preparation using the semiconductor film, consisting of nano metal oxide semiconductor materials, covering the surface of the semiconductor sensitizer film photoanode, oxidation and reduction reaction can occur on electrolyte and electrode, and the light anode electrode using separate heat sealing film the middle, electrolyte injection. The oxidation of electrolyte at the interface between the anode and the electrolyte results in the reduction of the electrolyte at the interface between the electrode and the electrolyte. The characteristics of light anode using N type semiconductor material with wide band gap, using atomic layer deposition technology in optical anode composition solar cell growth of many kinds of N type semiconductor sensitizer film surface wide bandgap semiconductor materials, greatly broaden the absorption range of photo anode, and semiconductor thin film sensitized layer so that a wide band gap semiconductor and electrolyte separated, significantly reduce the compound light carrier in the interface, significantly improve the efficiency of solar cell.

【技术实现步骤摘要】
使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极及其制备
本专利技术涉及一种采用半导体薄膜做敏化层的太阳电池器件。具体地说一种使用半导体做敏化剂的太阳能电池光阳极，是使用原子层沉积(ALD)方法在宽带隙半导体上均匀沉积多层致密窄带隙半导体薄膜做为吸光层组装而成的半导体敏化太阳电池。
技术介绍
太阳电池根据发展历程分为三代，第一代为晶体硅太阳电池，占目前市场份额的约80%;第二代为薄膜电池，如铜铟硒薄膜电池、碲化镉薄膜电池等占剩下约20%的市场份额；第三代太阳电池的概念已经提出，高转化效率，低成本，环境友好无污染是其显著特点，目前尚处于研发阶段，以量子点敏化电池为代表。对于传统的晶体硅太阳电池以及薄膜电池的转化效率已经非常可观，但是生产成本高，环境污染严重是限制其进一步发展的瓶颈。量子点敏化太阳电池中采用半导体量子点做敏化剂，由于量子尺寸效应的存在其带隙连续可调，并且由于多激子效应的存在可使其理论转化效率高达44%，远远高于传统电池的理论效率33%。自1991年Gratzel报道染料敏化电池效率突破7%以来，敏化电池备受人们关注。染料敏化电池的吸光层(光敏剂)由吸附在TiO2上的有机分子组成，吸光范围有限，消光系数低以及稳定性差，从而人们将目光投向无机半导体材料，量子点敏化电池即是在这样的背景中产生，目前的最高转化效率5%左右【Yang, Z.，et al., Chemical Communications, 2Oil.47(34):ρ.9561-9571.; Yu, X.-Y., et al., Acs Nano, 2011.5(12):p.9494-9500.;Kamat, P.V., Accounts of Chemical Research, 2012.; Santraj P.K.and P.V.Kamatj Journal ofthe American Chemical Society, 2012.134(5):p.2508-2511.】。目前在量子点敏化电池中使用的半导体量子点敏化剂从太阳电池的组装方法上可分为两类，第一类为先使用化学的方法合成量子点，而后使用有机分子连接在TiO2上，这样做的优点是得到的量子点的质量较高，且粒径均匀可控，缺点是TiO2上敏化剂的吸附量少，不能有效利用太阳光；第二类是在TiO2上原位制备量子点，使用的方法为化学浴沉积(CBD)或者离子交替吸附反应(SILAR)，优点在于可以提高半导体敏化剂的吸附量，缺点是可控性差【Robel，1.，et al., Journal of the American Chemical Society, 2006.128(7):p.2385-2393.; Lee，H.，et al.，Nano Letters, 2009.9 (12):p.4221-4227.; Lee，H.J.，etal., Chemistry of Materials, 2010.22(19):p.5636-5643.】。研究发现，在量子点敏化电池中，由于半导体量子点敏化剂在TiO2基底上的覆盖度低，光照下半导体敏化剂上产生的光生电子注入TiO2中部分从TiO2反向注入至电解质，发生复合过程，限制了电池效率的进一步提高【Kamat，P.V.，Accounts of ChemicalResearch, 2012.;Mora-Seroj 1., et al., Accounts of Chemical Research, 2009.42(11):p.1848-1857.】。文献中曾有使用欠电位的办法在Ti O2中生长CdS薄膜并研究了其光电性能【Zhu，W.，et al., Journal of the American Chemical Society, 2010.132(36):p.12619-12626.】，不过该方法是在溶液中使用电化学合成，操作复杂，可控性较差且不容易制备多层膜。综上所述，在现有的文献或专利中，利用原子层沉积(ALD)法生长多层半导体薄膜作为吸光层并应用于太阳电池中还是一个空白。本专利技术利用原子层沉积(ALD)技术，使用气态源作为前驱体，薄膜厚度完全可控，得到高质量半导体薄膜敏化剂并用于太阳电池器件中，大幅度提高太阳电池的效率。
技术实现思路
本专利技术提供一种使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极及其制备。使用半导体做敏化剂的太阳电池光阳极，于导电基底表面覆盖宽带隙半导体层，然后于宽带隙半导体表面生长多种窄带隙半导体，窄带隙半导体成薄膜状态均匀覆盖在宽带隙半导体表面。窄带隙半导体采用半导体敏化剂，半导体敏化剂的阳离子选自Cd、Sb、Pb、B1、Zn中的一种或二种以上、阴离子选自S、Se、Te中的一种或二种以上所组成的半导体材料。导电基底为掺氟的二氧化锡透明导电玻璃(FT0)、铟锡氧化物透明导电玻璃(ITO )、掺铝氧化锌透明导电玻璃(AZO )、金属或其他导电介质。宽带隙半导体选自半导体禁带宽度(Eg):2.5eV〈Eg〈5eV，T1、Zn、Sn、Nb、Ta、W中一种元素的氧化物或者二种以上元素的混合氧化物均满足要求。所述太阳电池光阳极的制备方法:(I)在导电基底上制备宽带隙半导体多孔膜层，多孔膜由纳米粒子、纳米管、纳米线或者纳米棒的一种或两种以上组成，该半导体多孔膜选自T1、Zn、Sn、Nb、Ta、W中一种元素的氧化物或者二种以上元素的混合氧化物；(2)使用原子层沉积(ALD)方法均匀地在宽带隙半导体多孔膜层上生长多层致密膜，载气使用氮气或氩气等惰性气体，反应温度在100-500°C之间，反应压力在KT1至102toor之间，化合物阳离子原料与阴离子原料二者交替进入反应腔室，后者进入之前，前者非化学吸附物种必须彻底清除，反应时各个源脉冲时间为0.02-0.5s,主腔室中憋气时间为5s，薄膜厚度通过原子层沉积(ALD)生长的循环数控制，由于半导体存在量子尺寸效应，不同厚度的敏化剂具有不同的禁带宽度，从而可以实现敏化剂的带隙连续可调；半导体敏化剂的阳离子选自Cd、Sb、Pb、B1、Zn中的一种或二种以上、阴离子选自S、Se、Te中的一种或二种以上所组成的半导体材料。化合物阳离子或阴离子使用有机物作原料，化合物阳离子来自二甲基镉、二乙基锌、异丙醇钛、异丙醇铌等常温呈液态且低气压下较易挥发的物质，阴离子来自三甲基硅硒烷、三甲基硅硫烷、硫化氢、水、等常温为液态且低气压下较易挥发的物质。本专利技术所述的太阳电池光阳极的制备方法简单便捷、成本低廉；而且太阳电池的光电转换效率可以得到大幅度提升。本专利技术涉及新型结构的半导体敏化太阳电池，其包含由纳米金属氧化物半导体材料(纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米棒)、表面覆盖的半导体敏化剂薄膜组成的光阳极、可以发生氧化及还原反应的电解质以及对电极组成，光阳极与对电极使用热封膜隔开，中间注入电解质。其中，光阳极与电解质接触的界面处电解质发生氧化反应，对电极与电解质接触的界面处电解质发生还原反应。特点是光阳极采用η型宽带隙半导体材料(Ti 02、Ζη0等)，使用原子层沉积(ALD)技术在宽带隙半导体材料表面生长多种η型半导体敏化剂薄膜组成太阳电池的光阳极，大大拓宽光阳极的吸光范围，同时半导体薄膜敏化层使宽带隙半导体与电解质隔开本文档来自技高网...

【技术保护点】
使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极，其特征在于：于导电基底表面覆盖宽带隙半导体层，然后于宽带隙半导体表面生长多种窄带隙半导体，窄带隙半导体成薄膜状态均匀覆盖在宽带隙半导体表面。

【技术特征摘要】
1.使用半导体薄膜做敏化剂的太阳电池光阳极，其特征在于: 于导电基底表面覆盖宽带隙半导体层，然后于宽带隙半导体表面生长多种窄带隙半导体，窄带隙半导体成薄膜状态均匀覆盖在宽带隙半导体表面。2.根据权利要求1所述的太阳电池光阳极，其特征在于: 窄带隙半导体采用半导体敏化剂，半导体敏化剂的阳离子选自Cd、Sb、Pb、B1、Zn中的一种或二种以上、阴离子选自S、Se、Te中的一种或二种以上所组成的半导体材料。3.根据权利要求1所述的太阳电池光阳极，其特征在于: 导电基底为掺氟的二氧化锡透明导电玻璃(FTO)、铟锡氧化物透明导电玻璃(ΙΤ0)、掺铝氧化锌透明导电玻璃(AZO)、金属或其他导电介质。4.根据权利要求1所述的太阳电池光阳极，其特征在于: 宽带隙半导体选自半导体禁带宽度(Eg):2.56￥從8〈56￥，11、211、511、他、了&、1中一种元素的氧化物或者二种以上元素的混合氧化物均满足要求。5.一种权利要求1所述太阳电池光阳极的制备方法，其特征在于: (1)在导电基底上制备宽带隙半导体多孔膜层，多孔膜由纳米粒子、纳米管、纳米线或者纳米棒的一种或两种以上组成，该半...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，张文华，郑霄家，于东麒，熊锋强，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：