[发明专利]包含第Ⅳ-Ⅵ族半导体核-壳纳米晶的光伏电池

说明书

技术领域

本发明涉及包含作为光活性成分的第IV-VI族核-壳或核-合金化壳半导体纳米晶光伏电池，其中所述纳米晶可以是球形或棒形。

背景技术

光伏电池(PVC)使用半导体将光能转化为电流，被认为是实现可持续能源的关键技术之一。所谓“第一代”PVC基于结晶Si的单p-n结，表现出15-20％的能量转换效率(η)，从而接近31％的理论能量转换效率极限(Shockley和Queisser，1961)。

结晶Si低劣的吸收性能及其生产成本导致了开发基于薄膜技术，采用非晶-、多晶-或微晶-Si(Fujiwara和Kondo，2007)、碲化镉(CdTe)(Gur等人，2005；Zhong等人，2007)、铜(镓)铟硒化物/硫化物(CIS)(Durisch等人，2006)或GaAs基多结(Hannappel等人，2007)的第二代PVC。采用蒸发技术，或卷-到-卷工艺在大面积衬底上制备均匀薄膜是挑战性的任务并且相当昂贵。因此，第二代备选方案既不能超越η＝31％的理论极限，也基本上没有降低按$/千瓦时的电输出计的制造成本。

第三代PVC想要实现类似的转换效率，采用能够降低$/千瓦时成本的高质量吸光材料。第三代PVC包括染料敏化PVC(Bach等人，1998；Gratzel，2007；Plass等人，2002)、基于聚合物的PVC(Brabec等人，2001)和半导体纳米晶PVC(Nozik，2002；Huynh等人，2002)。基于染料和基于聚合物的PVC受困于低劣的光稳定性。由此，最有希望的PVC应依赖于将半导体纳米晶装入仅基于无机成分的电池中(Law等人，2008，Koleilat等人，2008)。

US 20080142075公开了一种光伏器件，包含第一和第二电极(其中至少一个电极是对全部或部分太阳光谱基本上为透明的透明电极)以及布置在所述第一和第二电极之间的光活性层，其中所述光活性层包含第一亚层和第二亚层，第一亚层包含具有第一带隙的第一光活性纳米颗粒，第二亚层包含具有小于所述第一带隙的第二带隙的第二光活性纳米颗粒，其中所述第一亚层布置在比所述第二亚层更靠近所述透明电极的地方。

US 20080230120公开了光伏器件，包含由表现出吸收基本在太阳光谱的可见区域内的辐射的半导体材料组成的第一光活性层；由表现出吸收基本在太阳光谱的IR区域内的辐射的纳米结构材料组成的第二光活性层；以及布置在第一和第二层之间并构建为促进第一与第二层之间的电荷传输的复合层。该专利公布进一步公开了光伏器件，包含由表现出吸收基本在太阳光谱的可见区域内的辐射的半导体材料组成的第一光活性层；由表现出吸收基本在太阳光谱的UV区域内的辐射的纳米结构材料组成的顶部光活性层；布置在第一和顶部层之间并构建为促进第一和顶部层之间的电荷传输的复合层；由表现出吸收基本上在太阳光谱的IR区域内的辐射的纳米结构材料组成的底部光活性层；以及布置在第一和底部层之间并构建为促进第一和底部层之间的电荷传输的第二复合层。

WO 2008/054845公开了一种光伏器件，包含：第一电极和第二电极，其中至少一个电极对太阳辐射是透明的；以及所述第一电极和所述第二电极之间的光活性层，该光活性层与所述第一电极电子导电相通，并与所述第二电极空穴导电相通，其中所述光活性层包含光活性纳米结构，所述光活性纳米结构包含碳纳米管(CNT)和光敏纳米颗粒。

US 2008/0216894 A1公开了沉积具有不同尺寸的半导体纳米晶亚层，其在PVC中安装在光活性层外面，允许收集可见区域中的光，改善功率量子效率。该专利特别公开了(i)有机光伏器件，其包含至少一个量子点层(其中量子点层上的入射辐射红移形成红移的辐射)和至少一个吸收红移的辐射的活性层；(ii)器件，其包含至少一个有机光伏活性层，至少一个阳极、至少一个阴极以及任选地，至少一个附加层，其中该器件进一步包含不在该活性层中的量子点；和(iii)有机光伏器件，其包含至少一个纳米结构层(其中量子点层上的入射辐射红移形成红移的辐射)和至少一个吸收红移的辐射的有机活性层。

WO 2006/110919及其相应的美国公布第20070099359号公开了将光转换为载荷子的PVC，其包含：阳极和阴极，其中所述阳极和阴极中的至少一个是透明的；布置在所述阳极和阴极之一上的半导体纳米晶层，当受到足够能级的光照射时，该半导体纳米晶层能够产生载流子倍增，由此每一个来自所述光线中的单个吸收光子能生成超过一个的电子-空穴对；以及集电元件，其中所述集电元件电连接到所述阳极或阴极上，以便从该电池中移出载荷子。