基于空间支架结构纳米材料的光伏器件及其高比表面积、直接载流子通路的纳米材料的制作方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及到新能源的光电转换技术和空间支架结构状的纳米材料，具体地涉及一种基于空间支架结构光阳极的光伏器件，更具体地涉及一种以空间支架结构纳米材料为光阳极的表面等离激元增强型太阳能电池。
【背景技术】
[0002]随着环境与能源问题的持续恶化，加强环境保护和开发清洁能源成为人类高度关注的焦点。太阳能电是取之不尽用之不竭的理想清洁能源，通过光伏器件利用太阳能成为国内外科研工作者的目标。太阳能电池到现在经历了三个阶段，第一代太阳能电池基于硅片技术，第二代半导体太阳能电池基于半导体薄膜技术，但第一代太阳能电池成本较高，而第二代太阳能电池效率较低，稳定性也比较差。第三代太阳能电池现在正处于研究发展阶段。第三代太阳能电池主要有有机半导体太阳能电池、量子点太阳能电池、染料敏化太阳能电池、有机无杂化太阳能电池、双结多结太阳能电池、中间带太阳能电池和热载流子太阳能电池等，第三代太阳能电池有望实现光电转换效率比第一代太阳能电池高转换效率的同时，保持第二代太阳能电池的低成本优势。
[0003]然而，目前其可控利用部分大约仅占世界能源的0.03% (Mrs Bulletin 2007,32,808-820)。众所周知，光伏器件的光电转换的存在着Shockley-Queisser瓶颈、吸收光所需要的材料最低厚度的Ray Optic Limit和载流子在输运过程中的损耗是影响光伏器件性能最重要的因素。通过对电池表面制绒和采用多层吸收结构(能带工程的一种)，太阳能电池的光电转换效率有了显著的提高。然而，目前的太阳能电池性能仍然不足以民用化。因此，太阳能电池研究中，困扰人们的问题是如何进一步提高太阳能的光电转换效率以及降低制备成本。
[0004]量子点是一种“人造原子”，具有量子限域效应，基于量子点的太阳能电池即量子点敏化太阳能电池通过碰撞电离可以产生多激子效应，也就是一个光子可以产生多个电子空穴对。这样就可以克服Shockley-Queisser瓶颈，提高太阳能电池的光生电流密度。遗憾的是，目前量子点敏化太阳能电池的光电转换效率并不高(一般为4%左右)，这是由于其光阳极无法提供直接的载流子输运路径。例如对于目前最常见的介观多孔二氧化钛(T12)薄膜，载流子要在T12颗粒之间输运，比如导致输运不畅和被缺陷俘获而损耗。而且，目前量子点太阳能电池光阳极已有纳米棒状、球状等纳米材料对光的抗反射效果差，比表面积小(导致可吸附量子的表面积小)，无法充分吸收太阳光谱。此外，光阳极结晶质量差也将导致载流子(电子或者空穴)热损耗，使得太阳能电池的光电转化效率很难进一步提高。
[0005]综上所述，目前太阳能电池要么成本太高(例如单晶硅太阳能电池)，要么光电转换效率太低(例如有机太阳能电池)，要么性能不稳定(例如非晶硅太阳能电池)，这些不利因素严重制约着光伏发电技术的市场化和太阳能的开发利用，迫切需要开发一种高效率且成本合理的光伏器件及其组成该器件的光阳极。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明提供了一种基于空间支架结构纳米材料的光伏器件及其高比表面积、直接载流子通路的纳米材料。通过三元自反馈调控剂调控纳米材料合成，获得了完美的空间支架结构纳米材料，其具有超高比表面积(比表面积为纳米棒阵列的数十倍，为平面结构的成百上千倍)、优异的结晶质量(高温高压下合成，结晶质量非常好但是成本低廉因为采用了化学液相方法合成)、直接的载流子输运路径和良好抗反射性能(将入射光方向散射或者直接囚禁在纳米结构中)等独特优势。此外，通过引入表面等离激元实现光调控进而辅助光吸收，加快了光电转换速率，同时提高了太阳能电池的光电转换效率。
[0007]本发明的第一目的在于获得一种基于空间支架结构纳米材料的光伏器件，其光电转换效率高且制造成本合理。
[0008]本发明的第二目的在于获得一种非常适合用于太阳能电池、红外隐身技术、集成电路、发光领域和生物芯片方面的纳米材料即空间支架结构纳米材料。
[0009]本发明的第三目的在于提供一种本发明所述的空间支架结构纳米材料的制备方法。
[0010]本发明的第四目的在于提供所述空间支架结构纳米材料的应用。
[0011]本发明的第一方面，提供了一种基于空间支架结构纳米材料的光伏器件，该器件包括:基底；
[0012]布置于基底上的顶电极；
[0013]布置于对电极上的纳米材料;其中，该纳米材料形貌为空间支架结构，具有超高比表面积、直接载流子通路；
[0014]布置于光阳极上的光电转换层;其中，所述光电转换材料包括光电转换材料和增强器件性能的纳米金属结构；
[0015]对电极
[0016]基底:本发明的基底没有具体限制，只要不对本发明目的产生限制即可。可以是导电玻璃、塑料柔性基底和不锈钢等，优选地，采用FTO玻璃。
[0017]顶电极:本发明的顶电极没有具体限制，只要不对本发明目的产生限制即可。例如可以采用欧姆接触性能好的掺氟铟砸氧化物、银浆料和铜等
[0018]纳米材料:本发明采用空间支架结构纳米材料作为电池的光阳极或者电子的输运材料。其具有超高比表面积，比表面积为纳米棒阵列的数十倍，为平面结构的成百上千倍；优异的结晶质量但是成本低廉;直接的载流子输运路径和良好抗反射性能等独特优势。该纳米材料种类没有具体限制，只要不对本发明目的产生限制即可。可以是氧化锌(ZnO)，二氧化钛(Ti02)，II1-V族半导体材料，金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)，铝(Al)或者硅(Si)。优选地，采用ZnO。本发明的实施例1给出了氧化锌空间支架结构纳米材料的详细合成步骤以及得到空间支架结构的形貌，参见图2、图3和图4。
[0019]光电转换层:本发明所述光电转换材料包括光电转换材料和增强器件性能的纳米金属结构。光电转换材料没有具体限制，只要不对本发明目的产生限制即可。例如，光电转换材料包含用于产生并分离电子和空穴，通常包含P型半导体和η型半导体组成的pn结;或者光敏材料和能够与光敏化材料实现能带匹配实现载流子输运的材料(例如，spiroMeOAD等)O
[0020]增强器件性能的纳米金属结构没有具体限制，只要不对本发明目的产生限制即可。例如，纳米金属结构的金属可以采用金、银、铝、铜、稀土或其组合;纳米金属结构可以是立方体、纳米颗粒、纳米壳、纳米棒或其组合。优选地，它们的尺寸在I?I OOnm，更优选地，尺寸为50纳米。
[0021]对电极:本发明的对电极(或者称为背电极)没有具体限制，只要不对本发明目的产生限制即可。可以选用铝浆、金和碳等。优选地，选用铝浆。优选地，对电极厚度为200nm。
[0022]本发明的第二方面，在于获得一种非常适合用于太阳能电池、红外隐身技术、集成电路、发光领域和生物芯片方面的纳米材料即空间支架结构纳米材料，所采取的具体技术方案是:
[0023]—种空间支架结构纳米材料的制备方法，其包括如下步骤:
[0024](I)基底的准备:包括清洗和籽晶层的制备；
[0025](2)配置纳米材料生长的营养液；
[0026](3)往营养液中添加三元自反馈调控剂(优选地，包括碱性盐、酸式盐和双性盐这三元合成剂)用于调控合成纳米材料；
[0027](4)将基底固定在包含三元自反馈调控剂的营养液的密闭容器中；
[0028](5)将步骤(4)所述密闭容器置于恒温装置中，生长特定时间
[0029 ] (6)将步骤(5)生长完成后的基底取出进行清洗，获得空间支架结构纳米材料
[0030]优选的，步骤(2)所述的氧化锌纳米材料生长的营养液为脱水醋酸锌和六亚甲基四胺混合溶液，浓度都是0.1?50mmol/L;最优选的所述营养液浓度为30mmol/L。二氧化钛纳米材料生长的营养液为乙二醇、浓盐酸、钛酸正丁酯和去离子水的混合溶液，其中，最优选的乙二醇浓度为8mol/L、浓盐酸2mol/L