CN110494988A - 超薄等离子体太阳能电池及其制造和使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种超薄且高度透明的晶片型等离子体太阳能电池，其包含导电透明基板层、n型半导体层；由选自由铜、金或银组成的组的金属纳米颗粒制成的层；以及由p型半导体制成的层；其中基板、n型半导体、金属纳米颗粒和p型半导体分别借助于一种或多种分子连接体通过共价键连接。一种通过自组装生产所述等离子体太阳能电池的方法。

Description

超薄等离子体太阳能电池及其制造和使用方法
技术领域
本公开涉及光伏领域，并且具体地涉及新型超薄且高度透明的晶片型等离子体太阳能电池及其制造方法。
背景技术
光伏发电为将太阳光直接转换成电的过程，具有为满足全球能源需求做出重大贡献的潜力。然而，还存与可持续性和成本有关的未解决的问题，这些问题必须加紧迫地加以解决。经济、高效、安全、稳定和丰富的光伏器件将极大地促进可再生能源的整合，以满足当前的能源需求并实现资源节约型社会。
目前，主流趋势在于以最小化的效率损失减小基于晶片的太阳能电池的厚度，以便节省成本。另一个趋势为努力替换配方中的有毒元素。这两项改进成功时，将推动新型用途和应用，诸如收集更宽范围的太阳能的高性能太阳能电池(所谓的叠层太阳能电池)、光子能量上转换、建筑一体化光伏、可穿戴电子产品、家用太阳能传感器和电子配件。在过去的几十年中，晶片厚度已从约400μm减小到约2μm至3μm，并且这种趋势仍在继续。
薄膜太阳能电池的厚度通常在1μm至2μm范围内，并沉积在诸如玻璃、塑料或不锈钢的基板上。它们作为其他能源的可行替代方案提供经济高效的解决方案，经设定以满足特别具有挑战性的需求，诸如便携式和轻型消费应用、自充电设备、叠层电池等。
叠层电池由两个或更多个子电池组成，这些子电池一起将更多的太阳光谱转换成电力，并且因此提高整体电池效率。子电池连结在彼此的顶部上，并且可由不同的太阳能电池材料或相同系列的太阳能电池材料构造。例如，预测组合了钙钛矿作为“上部电池”与基于硅或CIGS(铜铟镓硒)的“底部”电池的叠层电池能够将发电量增加高达20％。
如德国弗赖堡(Freiburg,Germany)的弗劳恩霍夫太阳能***(ISE)研究所(theFraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE)所证实的，2016年6月，通过能量转换效率为22.6％的CIGS薄膜光伏电池实现当前的效率世界纪录。该电池的厚度在3μm至4μm范围内，并且由在德国斯图加特(Stuttgart,Germany)的ZSW(太阳能及氢研究中心(Zentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung，the Center for SolarEnergy and Hydrogen Research，巴登-符腾堡(Baden-Württemberg))制造。然而，当前的膜厚度阻碍其在自充电设备和无色建筑一体化中的使用。
继广泛商业化的基于晶体和薄膜的半导体技术—基于Si的太阳能电池之后，出现了替代光伏技术。除了像CuInGaSe2(即CIGS)、CdTe、GaAs和CuInSe2的薄膜***以及有机和钙钛矿半导体之外，对等离子体太阳能电池的开发的兴趣逐渐增长。
当前技术的主要限制与近带隙光的低吸收率有关。金属纳米颗粒为在等离子共振附近的波长处的强散射体。这是由于金属中传导电子的集体振荡。在局部表面等离子体(LSP)共振下，散射横截面可超过颗粒的几何横截面。在此类情况下，对于一阶，覆盖有10％面密度的颗粒的基板可完全吸收和散射入射光。可注意到，作为一个示例，空气中的小银纳米颗粒的散射横截面为颗粒实际横截面积的约十倍。
Sá等人(《能量环境科学(Energy Environ.Sci.)》6(2013)3584)证明在LSP激发期间产生电子-空穴对，通过在Au L3-边缘处的高分辨率X射线吸收光谱测量。LSP激发使得电离能阈值向上移动约1.0eV，并且增加Au d-带空穴群，这与热电子的形成和它们向高能态的提升一致。
概念上，等离子体纳米结构可直接用于太阳能电池中，但光生电子-空穴对寿命很短(几飞秒)。这使得从器件汲取电流成为问题。因此，为了增加电荷分离寿命，可将电荷载流子限制在将发生反应的空间分离位置，例如通过将它们转移到半导体(类似于染料敏化太阳能电池)。LSP热电子具有足够的能量注入到TiO2导带中，这使其寿命从几飞秒延长到几百纳秒。
等离子体共振受颗粒形态和局部介电环境的影响。因此，在太阳能电池的有源层内使用金属纳米颗粒的不同太阳能电池几何形状的效率受到光吸收体和半导体之间的距离的影响。因此，改变距离的总体效果为增加的横截面和减小的耦合分数之间的折衷，这意味着最佳距离由半导体层的吸收系数、所需的颗粒密度(与横截面有关)和颗粒中的欧姆损耗程度决定。
Zhang等人(《科学报告(Sci.Rep.)》4(2014)4939)公开晶片厚度为5μm的Ag或Al纳米颗粒(NP)集成硅超薄太阳能电池可潜在地实现15.3％的效率。然而，当前的膜厚度阻碍其在自充电设备和无色建筑一体化中的使用。
Islam等人(《太阳能(Solar Energy)》103(2014)263-268)研究金纳米颗粒对氢化无定形硅(a-Si:H)太阳能电池性能的影响，注意到Au纳米颗粒的等离子体效应允许在表面处的额外散射，从而降低整体反射率。纳米颗粒尺寸越大，获得的散射越多，并且中值反射率从约23％下降至18％。他们的结果显示，随着纳米颗粒尺寸的增加，短路电流密度(Jsc)和效率也增加。Jsc从9.34mA/cm2增加到10.1mA/cm2。此外，效率从4.28％增加到5.01％。
US 2009/0188558公开具有金属氧化物电子传输层并且在电子传输层中使用双官能有机化合物的光伏器件。然而，本公开未考虑等离子体太阳能电池，也未考虑使用金属纳米颗粒作为光吸收体。在'558文件中论述纳米颗粒的情况下，这涉及金属氧化物，主要为氧化锌。
发明内容
本公开的一个目的为提供一种超薄晶片型等离子体太阳能电池，其易于组装、稳定、环保，并且优选也为高度透明的。此类太阳能电池适用于自充电技术、无色建筑一体化、可穿戴电子产品、为家用传感器和电子配件供电，并且还适用于高效叠层太阳能电池和光子能量上转换，仅举几个非限制性示例。
另一目的为提供一种生产超薄且优选高度透明的晶片型太阳能电池的方法，该方法简单、可靠并且优选也环保。
根据第一方面，本公开提供一种等离子体太阳能电池，其包含
-n型半导体层；
-选自由铜、金、银或铝组成的组的金属纳米颗粒层；以及
-p型半导体层，
上述层夹在基板和背触点之间；其中基板、n型半导体、金属纳米颗粒、p型半导体和背触点分别借助于一种或多种分子连接体通过共价键连接。
根据所述第一方面的优选实施例，n型半导体层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述自由组合的所述第一方面的另一个优选实施例，p型半导体层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的又一个实施例，n型半导体选自TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3或其组合，并且优选基本上由TiO2组成。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的又一个实施例，p型半导体选自NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合，并且优选基本上由NiO组成。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第一方面的又一个实施例，基板(诸如导电基板)选自氧化铟锡、氟化氧化锡和导电聚合物。优选地，基板或背触点中的至少一个为透明导电基板。
根据也可与上述实施例中任一项自由组合的另一个优选实施例，金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的优选实施例，所述金属纳米颗粒用稳定剂，优选甜菜苷或甜菜苷衍生物稳定。
优选地，根据所述第一方面的太阳能电池还包含绝缘层，优选包含选自Al2O3或SiO2或无定形TiO2的氧化物的层。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的另一实施例，所述一种或多种分子连接体选自芳族衍生物或短碳链(至多C6)有机化合物以及具有至少一个与半导体配位的官能团和至少一个与金属纳米颗粒配位的胺或硫醇基团的衍生物。
选择一组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的至少一个表面，例如金属氧化物表面，并将其连接到半导体表面。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
Y-P-Z
其中Y和Z为与基板或背电极的表面相互作用或键合的官能团，从而将其连接或连结到半导体。
在该第一组分子连接体中，Y和Z的代表性官能团包括例如羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P表示有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择另一组分子连接体，使得它们能够修饰半导体表面的至少一个表面并将其连接到金属纳米颗粒。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
X-P-W
其中X为与金属纳米颗粒的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第二组分子连接体中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。
此外，W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择第三组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的金属表面的至少一个表面并将其连接到半导体表面。同样，优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体也具有通式
X-P-W
其中X为与金属基板或背触点的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第三组中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
在实践中，使用属于上述第一组、第二组和第三组中的一个或多个的一种或多种连接体。因此，第一连接体、第二连接体和第三连接体可相同或不同。
优选地，所述分子连接体选自4-氨基苯甲酸(pABA)、4-巯基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)、(4-氨基苄基)膦酸、2-氨基苯甲酸、2-巯基苯甲酸、对苯二甲酸、4'-氨基-[1,1'-联苯]-4-羧酸、萘衍生物和聚芳族化合物衍生物。
分子连接体的非限制性示例显示在下表1中：
表1.分子连接体的示例
另一方面涉及一种用于生产等离子体太阳能电池，优选超薄晶片型太阳能电池的方法，其中基板、n型半导体、金属纳米颗粒、p型半导体和背触点分别借助于一种或多种分子连接体通过共价键连接，所述方法包含以下步骤：
i)通过将导电基板浸没在具有连接体的溶液中并用半导体(n型或p型)层涂覆导电基板来用单层的有机分子连接体修饰导电基板，
ii)用分子连接体修饰金属纳米颗粒，
iii)将来自步骤ii)的修饰金属纳米颗粒接枝到来自步骤i)的修饰导电基板，
iv)当步骤i)中的半导体为n型时，将来自步骤iii)的基板浸没在p型半导体的溶液中，并且当步骤i)中的半导体为p型时，将来自步骤iii)的基板浸没浸没在n型半导体的溶液中，
v)在步骤iv)的半导体顶部上蒸发背触点导电层，其中层厚度优选为约50nm至100nm，并且
任选地将步骤i)至步骤v)中形成的层施加到第二基板。
根据所述第二方面的优选实施例，包含n型半导体层的层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述自由组合的所述第二方面的另一个优选实施例，包含p型半导体层的层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的又一个实施例，n型半导体选自TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3或其组合，并且优选其基本上由TiO2组成。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的又一个实施例，p型半导体选自NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合，并且优选基本上由NiO组成。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的又一个实施例，基板选自氧化铟锡、氟化氧化锡和导电聚合物。
根据可与上述中的任何自由组合的所述第二方面的一个实施例，金属纳米颗粒选自铜纳米颗粒、金纳米颗粒、银纳米颗粒或铝纳米颗粒。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的另一实施例，金属纳米颗粒为银纳米颗粒。在一个实施例中，银纳米颗粒层的厚度在约20nm至约250nm范围内。这具有所述层吸收整个太阳光谱的射入光的优点。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的另一实施例，金属纳米颗粒用稳定剂，优选甜菜苷或甜菜苷衍生物稳定。
根据所述第二方面的又一个实施例，所述基板或背触点中的至少一个为透明基板，优选为透明导电基板。
选择一组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的至少一个表面，例如金属氧化物表面，并将其连接到半导体表面。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
Y-P-Z
其中Y和Z为与基板或背触点的表面相互作用或键合到半导体的官能团。
在该第一组分子连接体中，Y和Z的代表性官能团包括例如羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P表示有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择另一组分子连接体，使得它们能够修饰半导体表面的至少一个表面并将其连接到金属纳米颗粒。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
X-P-W
其中X为与金属纳米颗粒的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第二组分子连接体中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。
此外，W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择第三组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的金属表面的至少一个表面并将其连接到半导体表面。同样，优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体也具有通式
X-P-W
其中X为与金属基板或背触点的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第三组中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
在实践中，使用属于上述第一组、第二组和第三组中的一个或多个的一种或多种连接体。因此，第一连接体、第二连接体和第三连接体可相同或不同。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的所述第二方面的另一实施例，分子连接体选自芳族衍生物或短碳链(至多C6)有机化合物以及具有至少一个与半导体配位的官能团和至少一个与金属纳米颗粒配位的基团的衍生物。所述基团选自羧酸基团(羧酸酯)、膦酸基团(磷酸酯)、磺酸基团(磺酸酯)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团。用于所述层中的代表性有机化合物包括羧酸、膦酸酯、磺酸酯、酚类、硫醇和儿茶酚。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的所述第二方面的优选实施例，分子连接体选自4-氨基苯甲酸(pABA)、4-巯基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)、(4-氨基苄基)膦酸、2-氨基苯甲酸、2-巯基苯甲酸、对苯二甲酸、4'-氨基-[1,1'-联苯]-4-羧酸、萘衍生物和聚芳族化合物衍生物。
分子连接体的示例在上表1中给出。
第三方面涉及建筑元件，其包含根据第一方面或其实施例中任一项的等离子体太阳能电池，或根据根据所述第二方面及其任何实施例的方法生产的等离子体太阳能电池。
根据所述第三方面的实施例，所述建筑元件选自窗户、屋顶元件、墙壁元件或其他结构或功能建筑元件。
附图说明
下面将参考附图在描述和示例中更详细地描述本发明的不同方面和实施例，其中：
图1示意性地示出根据实施例或本发明的由透明导电表面(A)和背触点或对电极(B)界定的等离子体太阳能电池的实施例的概念设计。
图2示意性地示出根据本发明的实施例的用于薄太阳能电池的自组装逐层的基本单元的优选示例，即金属纳米颗粒(I)、分子连接体(II)、n型半导体(III)和p型半导体(IV)。金属纳米颗粒的稳定化由邻近30nm、50nm和100nm纳米颗粒示例的阴影区域指示。
图3示出根据本发明实施例的自组装逐层薄太阳能电池架构。
图4为根据本发明的呈太阳能电池形式的建筑元件的照片。它被放置在孔雀羽毛的示意图上。黑白复制图显示太阳能电池的优异透明度，因为不存在图的模糊。彩色原件显示羽毛的颜色没有失真。
图5A至图5F示出也在表2中和说明书的后续部分中呈现的表示为“类型1a”至“类型6”的不同架构。
具体实施方式
在描述本发明之前，应理解，本文采用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制，因为本发明的范围将仅由所附权利要求书及其等同物来限制。
定义
必须注意，如在本说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一个/种(a)”、“一个/种(an)”和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文另有明确指示。
例如在“约30nm(about 30nm)”中的术语“约(about)”旨在意指“大约30nm(approximately 30nm)”，并且因此根据常规的舍入规则涵盖29.6nm至30.5nm的区间。
术语“透明(transparent)”在这里以其最广泛的含义使用，意指当你可看穿一个物体或物质时，或者当它不会显著影响对底层材料的感知时，它所具有的品质。取决于本文公开的太阳能电池的预期用途，需要不同程度的透明度。当太阳能电池结合在窗户玻璃上时需要高透明度，并且当结合在其他建筑材料上时需要较低透明度。
如在“修饰基板的至少一个表面(modifying at least one surface of asubstrate)”中的术语“修饰(modify)”是指故意改变表面的化学性质以便影响和促进根据本发明的太阳能电池中部件之间的结合的行为。该药物处理可包含对表面本身的改变，或官能团与其的结合的改变。
术语“n型半导体(n-type semiconductors)”指其中电子为多数载流子且空穴为少数载流子的半导体材料。合适的n型半导体材料的示例包括TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3及其组合。
术语“p型半导体(p-type semiconductors)”指其中空穴为多数载流子或带正电的载流子且电子为少数载流子的半导体材料。合适的p型半导体材料的示例包括NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合。
术语“自组装(self-assembly)”指前体分子自发组装以形成纳米结构物体，并且包括对自组装过程主张熵控制和/或化学控制以便优化所得材料的性质的选项。
所谓具有等离子体纳米颗粒的超分子结构，应理解为由离散数量的组装分子亚单元或经由强共价键连结的组分构成的化学体系。在目前情况下，亚单元优选为第11族的金属纳米颗粒，更优选为Al纳米颗粒、Cu纳米颗粒、Au纳米颗粒或Ag纳米颗粒、n型半导体纳米颗粒(例如TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3)或p型半导体纳米颗粒(例如NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga或Fe)，它们经由分子连接体互连。
所谓导电透明基板，应理解为在一侧之上具有导电层的透明材料。优选的示例为氧化铟锡(ITO)或氟化氧化锡(FTO)。
类似地，导电聚合物基板为在一侧上具有导电层的聚合物，或由导电聚合物材料制成的基板，或者为本征导电聚合物，或者例如由导电热塑性复合材料制成的基板。
具体实施方式
根据第一方面，本发明提供一种太阳能电池，其包含：
-n型半导体层；
-选自由铜、金、银或铝组成的组的金属纳米颗粒层；以及
-p型半导体层，
上述层夹在基板和背触点之间；其中基板、n型半导体、金属纳米颗粒、p型半导体和背触点分别借助于一种或多种分子连接体通过共价键连接。
超薄等离子体太阳能电池的基本原理在图1中示出。这种电池基于用作光吸收体的银(Ag)纳米颗粒的局部表面等离子体(LSP)共振。这借助于4-氨基苯甲酸(pABA)作为分子连接体，在一侧上共价连接到TiO2(电子受体)且在另一侧上共价连接到NiO(空穴受体)。在该示例中，电池由一侧上的导电透明基板(A)界定，例如在一侧上具有导电层的玻璃基板。优选的导电层可包含氧化铟锡(ITO)或氟化氧化锡(FTO)或基本上由氧化铟锡(ITO)或氟化氧化锡(FTO)组成。另一侧上为背触点或对电极(B)。
图2示出根据本发明优选实施例的薄太阳能电池的自组装逐层的基本单元的一些示例。在第I栏中，示出了用稳定剂，例如甜菜苷和/或甜菜苷衍生物封端的银纳米颗粒。这些的平均粒度可为例如30nm、50nm或100nm，或者例如20nm至200nm的尺寸范围。第II栏示出了分子连接体的三个示例，4-氨基苯甲酸(pABA)、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)和对苯二甲酸。在第III栏中，给出两个电子受体的示例，这里TiO2纳米颗粒的平均粒度为3nm或20nm。最后，在第IV栏中，示出了空穴受体的一个示例，这里为NiO，示出为4nm颗粒。然而，可使用不同尺寸的NiO纳米颗粒，例如在3nm至30nm的区间内。
图3中示出根据本文公开的实施例的太阳能电池的架构的一个示例。“底部”层A优选为导电透明基板，例如在一侧上具有导电层的玻璃基板。优选的导电层可包含氧化铟锡(ITO)或氟化氧化锡(FTO)或基本上由氧化铟锡(ITO)或氟化氧化锡(FTO)组成。“顶部”层B为背触点或对电极，在透明太阳能电池的情况下，它也为导电透明基板。箭头C以四个步骤示出层的组装：
步骤1：用分子连接体修饰导电透明基板，并涂覆有共价连接到分子连接体的反应基团的单层TiO2纳米颗粒。
步骤2：随后接枝用相同或另一种连接体修饰的金属纳米颗粒，致使形成单层金属纳米颗粒。
步骤3：将该结构浸没在NiO纳米颗粒的溶液中以将***连结到p型半导体。
步骤4：形成对电极或背触点，例如在NiO层的顶部上蒸发。
该方法和对应的等离子体太阳能电池也可以相反的顺序构建，即从形成阴极的导电基板开始，随后在阴极上形成p型半导体层，然后添加用相同或另一种连接体修饰的金属纳米颗粒，随后接枝，致使形成单层金属纳米颗粒，添加n型半导体，并且最后为透明导电表面。
在进行这些步骤时，可通过改变连接体的摩尔比来精细调节每种组分的负载量。也可通过调节温度(通常称为熵控制)以及通过控制所用的pH和溶剂来控制自组装。
除了图3中所示的架构(类型1)之外，还可使用不同的配置，例如表2中所呈现的那些配置：
表2.太阳能电池架构的示例
在上表中，使用以下缩写：NP＝纳米颗粒，TCO＝透明导电氧化物，TCP＝透明导电聚合物。
在“类型1a”组件中，层2至层8嵌入绝缘介质，例如Al2O3、SiO2或无定形TiO2中，如图5A所示，而在“类型2”中，空穴导电层***在p型半导体层和透明导电氧化物层9之间，如图5B所示。只有层2至层7嵌入绝缘介质，例如Al2O3、SiO2或无定形TiO2中。
在“类型3”组件中，如图5C所示，电子导电层***在层1的透明导电氧化物和n型半导体层3之间，并且层3至层8嵌入绝缘介质，例如Al2O3、SiO2或无定形TiO2中。在如图5D所示的根据“类型4”的组件中，电子导电层邻近层1，并且空穴传导层邻近层9，并且层3至层7嵌入绝缘介质，例如Al2O3、SiO2或无定形TiO2中。
图5E示出根据“类型5”的组件，其中n型半导体直接邻近层1的透明导电氧化物，并且空穴导电层布置在p型半导体的顶部上。绝缘介质，例如Al2O3、SiO2或无定形TiO2，涵盖层3至层7。在例示为“类型6”并在图5F中示意性示出的组件中，n型半导体直接布置在形成层1的透明导电聚合物上，并且空穴导电层布置在p型半导体上，邻近也由透明导电聚合物组成的顶层9。
根据所述第一方面的优选实施例，包含n型半导体层的层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述自由组合的所述第一方面的另一个优选实施例，包含p型半导体层的层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的所述第一方面的另一个实施例，导电透明基板选自氧化铟锡、氟化氧化锡和导电聚合物。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的又一个实施例，n型半导体选自TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3或其组合，并且优选基本上由TiO2组成。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的优选实施例，金属纳米颗粒用稳定剂，例如甜菜苷或甜菜苷衍生物稳定。甜菜苷(甜菜苷配基-5-O-β-葡萄糖苷，IUPAC名称(2S)-1-[(2E)-2-[(2S)-2,6-二羧基-2,3-二氢-1H-吡啶-4-亚基]亚乙基]-6-羟基-5-[(2S,3R,4S,5S,6R)-3,4,5-三羟基-6-(羟甲基)氧杂-2-基]氧基-2,3-二氢吲哚-1-鎓-2-羧酸酯)可从甜菜根获得，并且为植物界中最常见的β-花青苷。除了用作食品着色剂之外，甜菜苷还可作为抗氧化的稳定剂。
根据也可与上述实施例中任一项自由组合的另一个优选实施例，金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
在一个实施例中，银纳米颗粒层的厚度在约20nm至约250nm范围内。这具有所述层吸收整个太阳光谱的射入光的优点。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的又一个实施例，p型半导体选自NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合，并且优选基本上由NiO组成。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的另一实施例，分子连接体选自芳族衍生物或短碳链(至多C6)有机化合物以及具有至少一个与半导体配位的官能团和至少一个与金属纳米颗粒配位的胺或硫醇基团的衍生物。所述一个或多个基团选自羧酸基团(羧酸酯)、膦酸基团(磷酸酯)、磺酸基团(磺酸酯)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团。用于该层中的代表性有机化合物包括羧酸、膦酸酯、磺酸酯、酚类、硫醇和儿茶酚。
选择一组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的至少一个表面，例如金属氧化物表面，并将其连接到半导体表面。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
Y-P-Z
其中Y和Z为与基板或背触点的表面相互作用或键合的官能团，从而将其连接或连结到半导体。
在该第一组分子连接体中，Y和Z的代表性官能团包括例如羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P表示有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择另一组分子连接体，使得它们能够修饰半导体表面的至少一个表面并将其连接到金属纳米颗粒。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
X-P-W
其中X为与金属纳米颗粒的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第二组分子连接体中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。
此外，W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择第三组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的金属表面的至少一个表面并将其连接到半导体表面。同样，优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体也具有通式
X-P-W
其中X为与金属基板或背触点的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第三组中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
在实践中，使用属于上述第一组、第二组和第三组中的一个或多个的一种或多种连接体。因此，第一连接体、第二连接体和第三连接体可相同或不同。
优选地，分子连接体选自4-氨基苯甲酸(pABA)、4-巯基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)、(4-氨基苄基)膦酸、2-氨基苯甲酸、2-巯基苯甲酸、对苯二甲酸、4'-氨基-[1,1'-联苯]-4-羧酸、萘衍生物和聚芳族化合物衍生物，如上表1所示。
另一方面涉及一种用于生产太阳能电池，优选等离子体超薄太阳能电池的方法，所述方法包含以下步骤：
i)通过将导电基板浸没在具有连接体的溶液中并用半导体(n型或p型)层涂覆导电基板来用单层的有机分子连接体修饰导电基板，
ii)用分子连接体修饰金属纳米颗粒，
iii)将来自步骤ii)的修饰金属纳米颗粒接枝到来自步骤i)的修饰导电基板，
iv)当步骤i)中的半导体为n型时，将来自步骤iii)的基板浸没在p型半导体的溶液中，并且当步骤i)中的半导体为p型时，将来自步骤iii)的基板浸没在n型半导体的溶液中，
v)在步骤iv)的半导体顶部上蒸发背触点导电层，其中层厚度优选为约50nm至100nm，并且
任选地将步骤i)至步骤v)中形成的层施加到第二基板。
该方法在图3中示意性地示出，然而，其中步骤ii)和步骤iii)作为一个步骤呈现。
根据所述第二方面的优选实施例，包含n型半导体层的层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述自由组合的所述第二方面的另一个优选实施例，包含p型半导体层的层的厚度为约30nm或更小，优选为20nm或更小，更优选为18nm或更小，例如16nm、14nm、12nm或更小。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的又一个实施例，导电透明基板选自氧化铟锡、氟化氧化锡和导电聚合物。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的又一个实施例，n型半导体选自TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3或其组合，并且优选基本上由TiO2组成。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的另一实施例，金属纳米颗粒为银纳米颗粒。优选地，银纳米颗粒层的厚度在约20nm至约250nm范围内。这具有所述层吸收整个太阳光谱的射入光的优点。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的另一实施例，金属纳米颗粒用稳定剂，例如甜菜苷或甜菜苷衍生物稳定。
根据可与上述中任一项自由组合的所述第二方面的又一个实施例，其中p型半导体选自NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合，和优选基本上由NiO组成。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的所述第二方面的另一实施例，分子连接体为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物，具有至少一个与半导体配位的官能团和至少一个与金属纳米颗粒配位的基团。所述基团选自用于与氧化物配位的羧酸基团(羧酸酯)、膦酸基团(磷酸酯)、磺酸基团(磺酸酯)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团，以及与金属配位的硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。用于该层中的代表性有机化合物包括羧酸、膦酸酯、磺酸酯、酚类、硫醇和儿茶酚。
选择一组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的至少一个表面，例如金属氧化物表面，并将其连接到半导体表面。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
Y-P-Z
其中Y和Z为与基板或背触点的表面相互作用或键合的官能团，从而将其连接或连结到半导体。
在该第一组分子连接体中，Y和Z的代表性官能团包括例如羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P表示有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择另一组分子连接体，使得它们能够修饰半导体表面的至少一个表面并将其连接到金属纳米颗粒。优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体具有通式
X-P-W
其中X为与金属纳米颗粒的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第二组分子连接体中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。
此外，W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
选择第三组分子连接体，使得它们能够修饰基板或背触点的至少一个表面并将其连接到半导体表面。同样，优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层的连接体。这些连接体也具有通式
X-P-W
其中X为与金属基板或背触点的表面相互作用或键合的官能团并且W为与半导体相互作用或键合的官能团。
在该第三组中，X的代表性官能团包括硫醇(例如SH或SR，其中R为C1-C6烷基)、氨基(例如NH2、NHR或NR2，其中R为C1-C6烷基)。W的代表性官能团包括羧酸基团(羧酸酯，-CO2 -)、膦酸基团(磷酸酯，-PO3 2-)、磺酸基团(磺酸酯，-SO3 2-)、酚基团(二羟基酚或儿茶酚)和硅氧烷基团(Si-O)。
此外，P为有机基团，诸如烷基、芳基或杂芳基(包括取代的烷基、芳基和杂芳基)、富勒烯或其衍生物。优选具有电子传输性质的P基团，并且此类电子传输性质通常出现在官能化的π-共轭化合物中。
在实践中，使用属于上述第一组、第二组和第三组中的一个或多个的一种或多种连接体。因此，第一连接体、第二连接体和第三连接体可相同或不同。
根据可与上述实施例中任一项自由组合的所述第二方面的优选实施例，分子连接体选自4-氨基苯甲酸(pABA)、4-巯基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)、(4-氨基苄基)膦酸、2-氨基苯甲酸、2-巯基苯甲酸、对苯二甲酸、4'-氨基-[1,1'-联苯]-4-羧酸、萘衍生物和聚芳族化合物衍生物。对于参考，见上表1。
根据本发明的太阳能电池的成功与所使用的分子连接体密切相关。对分子连接体的要求在于，它应提供由于其良好的π共轭特性、刚性和平面性的优异电子耦合。此外，它应具有允许经由自组装在电子供体和受体部分之间共价连结的功能。通过使用对每种组分具有选择性反应基团的分子，即羧酸或膦酸(与TiO2、NiO和ITO配位)和胺或硫醇(与Ag NP配位)，将确保电子供体和受体部分与分子连接体之间的共价连结。
第三方面涉及建筑元件，其包含根据所述第一方面的实施例中任一项的太阳能电池，或根据所述第二方面及其任何实施例的方法生产的太阳能电池。
根据所述第三方面的实施例，所述建筑元件选自窗户、屋顶元件、墙壁元件或其他结构或功能元件。
优选地，金属纳米颗粒为银纳米颗粒。由于银纳米颗粒在消费品中的使用日益增加，因此国际上大力证实银纳米颗粒的安全性。胶体银因其被认为的健康益处已被消费数十年，但关于其对环境的影响的详细研究才刚刚开始。最初的研究证明，对细胞和微生物的影响主要由于来自纳米颗粒表面的低水平的银离子释放，但迄今为止的所有研究都表明，银纳米颗粒的毒性远低于等效质量负载的银盐。因此，使用银纳米颗粒的优点为减少对环境的压力
用于生产本文公开的超薄等离子体太阳能电池的方法具有许多优点。该方法使用在溶液中，优选在水性介质中，在室温或接近室温下或在低于100℃的温度下的自组装逐层沉积。
分子连接体具有双重功能，即将电子供体(Ag NP)共价连接到电子受体(TiO2)并改进两个单元之间的电子耦合，如通过超快瞬态吸收测量所证实的，其揭示与从电子供体到电子受体的有效电子转移相关的约800飞秒的快速升高分量。此外，已观察到与Ag NP上的甜菜苷部分相关的空穴稳定机制的证据。
一个显著的优点为可实现厚度小于200nm的太阳能电池。这使得太阳能电池也可以结合在透明和半透明表面中。另一个优点为薄太阳能电池可结合在其他建筑元件中而不会增加体积或显著改变它们的外观。
具体地，根据本公开中提出的方面和实施例的太阳能电池提供以下优点：
-它们可在室温或接近室温下经由自组装逐层沉积制造
-制造可在溶液中进行，优选在水性环境中进行，从而最大限度地减少危险和/或环境可疑化学品的使用。
-组分共价连接，允许该方法在室温下或接近室温下，或者至少在低于100℃的温度下作为自组装进行
-银(Ag)用作LSP光采集器，使其成为安全、环保且经济的***。
-实际上可以生产具有厚度小于200nm的活性介质的太阳能电池。
-所有部件均抗紫外线。
减少的基本单元数量允许高可调性。可通过改变有机连接体的特性和摩尔比来实现可调性。
示例
示例1.金属纳米颗粒的合成
从相应的金属前体例如但不限于AgNO3、CuSO4、CuCl2或HAuCl4、还原剂和稳定剂开始合成金、银和铜金属纳米颗粒，。还原剂的示例包括NaBH4、N2H4、抗坏血酸、甜菜苷、多元醇(例如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四甘醇聚乙二醇)。稳定剂或生长限制剂的示例包括甜菜苷、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙酸乙烯酯、多元醇(例如乙二醇、二乙二醇、三乙二醇、四甘醇聚乙二醇)。所有试剂均购自西格玛-奥尔德里奇/默克公司(Sigma-Aldrich/Merck)并且均具有分析品质。
本发明人遵循Dong等人2015年提出的方案，该方案通过引用并入本文，改变所选参数，诸如组分浓度、溶剂、反应温度和反应时间，以便优化纳米颗粒的几何形状和尺寸分布。
采用两种自下而上的合成程序以制备用甜菜苷和衍生物稳定的Ag纳米颗粒(NP)(Bts-Ag NP)。在自动微流体反应器(英国罗伊斯顿Syrris有限公司(Syrris Ltd.,Royston,UK)，亚洲注射器泵)中经由天然甜菜苷的碱性水解合成Bts-Ag NP。经由多目标遗传算法进行优化确保Ag NP尺寸均匀且光吸收窄。例如Fernandes等人获得的尺寸在40nm至45nm之间的颗粒，所述尺寸通过动态光散射(英国马尔文的马尔文帕纳科有限公司(Malvern Panalytical Ltd.,Malvern,UK)，DLS，NanoS)和原子力显微镜(瑞士利斯塔尔市的Nanosurf股份公司(Nanosurf AG,Liestal,Switzerland)，AFM)以及在405nm的中心吸收(连结到USB-4000光谱仪的DH-2000-BAL，美国佛罗里达州拉戈市海洋光学公司(OceanOptics Inc.,Largo,FL,USA))测定。
作为替代方案，在微波合成反应器(奥地利安东帕有限公司(Anton Paar GmbH,Austria)，Monowave 50)中经由从甜菜根中提取的天然甜菜苷的酸或碱水解来合成Bts-AgNP。这一程序非常快并且以高产率和高再现性生产Bts-Ag NP。纳米颗粒为多分散的，确保了与太阳光谱更好地匹配。该方法产生尺寸在20nm至200nm之间的颗粒，如通过动态光散射(英国马尔文的马尔文帕纳科有限公司，DLS，NanoS)和原子力显微镜(瑞士利斯塔尔市的Nanosurf股份公司，AFM)以及跨350nm至720nm的光吸收(连结到USB-4000光谱仪的DH-2000-BAL，美国佛罗里达州拉戈市的海洋光学公司)所测定的。
合成后，将Ag纳米颗粒悬浮液的pH调节到4至5，并用pABA(西格玛-奥尔德里奇公司)涂覆颗粒，所述pABA经由-NH2锚定于Ag表面。
在下面公开的装置中测试所得银纳米颗粒、金纳米颗粒和铜纳米颗粒。
示例2.半导体纳米颗粒
NiO仍然为最好的p型半导体之一，使其成为概念验证设备的优选选择。使用以下方法合成NiO纳米颗粒：将乙酰丙酮Ni(II)溶解在油胺中并在剧烈搅拌下加热至110℃，并且然后冷却至90℃并保持在90℃。接下来，将与油胺混合的硼烷-三乙胺络合物在90℃下快速注入溶液中并在剧烈搅拌下静置1小时。然后用乙醇洗涤NiO纳米颗粒，并且最后将其分散在正十四烷中。这一程序产生直径约4nm的颗粒。从德国杜伊斯堡(Duisburg,Germany)的Sachtleben Chemie有限公司获得锐钛矿，一种粒度为3nm和20nm的TiO2纳米粉末。
示例3.在TiO2涂覆表面上的银纳米颗粒和4-氨基苯甲酸(pABA)连接体
用分子连接体(在这种情况下为从西格玛-奥尔德里奇公司获得的对苯二甲酸)通过简单浸入水溶液中修饰导电玻璃基板(在这种情况下为ITO)表面。
然后将用对苯二甲酸修饰的导电玻璃基板浸入TiO2纳米颗粒的水悬浮液中，在这种情况下，TiO2纳米颗粒为来自Sachtleben Chemie有限公司的3nm锐钛矿颗粒。这为经由连接体反应基团(-COO-)与氧化物共价的TiO2NP(ITO-TiO2)的单层涂层。
随后，用先前在微波反应器(奥地利安东帕有限公司，Monowave 50)中使用从甜菜根中提取的纯甜菜苷作为还原剂和封端剂合成的Ag纳米颗粒(示例1)接枝基板，并且随后用连接体(在这种情况下为来自西格玛-奥尔德里奇公司的4-氨基苯甲酸pABA)修饰，致使在透明基板上沉积单层的Ag纳米颗粒(ITO-TiO2-Ag)。
经由将基板简单浸入NiO纳米颗粒的水悬浮液中，将单层NiO纳米颗粒(在这种情况下为20nm，来自西格玛-奥尔德里奇公司)加入到ITO-TiO2-Ag中。NiO纳米颗粒经由连接体(这里为pABA)的COO-与Ag NP共价配位。
之后，蒸发50nm的Ag层作为背触点电极。
根据本公开制备的太阳能电池的初步光伏特性表明，产生1.2×10-5A/cm2的光电流密度Jsc。开路电压Voc为35mV，并且填充系数FF为0.25。使用对有源层厚度的1μm的高估，当前电池提供4.2mW/cm3的功率，透明度高于90％。
电池的透明度非常好，如所附照片(图4)所示，没有颜色失真。
无需进一步详述，据信本领域技术人员使用本说明书(包括示例)可最大限度地利用本发明。而且，尽管本文已关于其优选实施例描述本发明，这些实施例构成发明人目前已知的最佳模式，但应理解，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离所附权利要求书中阐述的本发明的范围的情况下，可做出各种改变和修改。
因此，虽然本文已公开各种方面和实施例，但其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将为显而易见的。本文公开的各个方面和实施例是出于说明的目的而并非旨在限制，真正的范围和精神由所附权利要求书指示。
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Claims (24)

1.一种等离子体太阳能电池，其包含
-n型半导体层；
-选自由铜、金、银或铝组成的组的金属纳米颗粒层；以及
-p型半导体层，
所述上述层夹在基板和背触点之间；其中所述基板、所述n型半导体、所述金属纳米颗粒、所述p型半导体和所述背触点分别借助于一种或多种分子连接体通过共价键连接。
2.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述一种或多种分子连接体为能够修饰基板和背触点的至少一个表面并将其连接到半导体表面的连接体，其中所述连接体(连接体)优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层。
3.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述一种或多种分子连接体选自芳族衍生物或短碳链(至多C6)有机化合物以及具有至少一个与半导体配位的羧基或膦酸基和至少一个与所述金属纳米颗粒配位的胺或硫醇基团的衍生物。
4.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述分子连接体选自4-氨基苯甲酸(pABA)、4-巯基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)、(4-氨基苄基)膦酸、2-氨基苯甲酸、2-巯基苯甲酸、对苯二甲酸、4'-氨基-[1,1'-联苯]-4-羧酸、萘衍生物和聚芳族化合物衍生物。
5.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述n型半导体选自TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3或其组合。
6.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述p型半导体选自NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合。
7.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述基板选自氧化铟锡、氟化氧化锡和导电聚合物。
8.根据权利要求1所述的太阳能电池，其中所述基板或背触点中的至少一个为透明导电物质。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能电池，其中所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的太阳能电池，其中所述金属纳米颗粒用稳定剂，优选甜菜苷或甜菜苷衍生物稳定。
11.根据权利要求1所述的太阳能电池，其进一步包含绝缘层，优选包含选自Al2O3或SiO2或无定形TiO2的氧化物。
12.一种用于生产等离子体太阳能电池的方法，在所述等离子体太阳能电池中基板、n型半导体、金属纳米颗粒、p型半导体和背触点分别借助于一种或多种分子连接体通过共价键连接，所述方法包含以下步骤：
i)通过将导电基板浸没在具有有机分子连接体的溶液中并用半导体(n型或p型)层涂覆所述导电基板来用单层的所述有机分子连接体修饰所述导电基板，
ii)用分子连接体修饰金属纳米颗粒，
iii)将来自步骤ii)的所述修饰金属纳米颗粒接枝到来自步骤i)的所述修饰导电基板，
iv)当步骤i)中的所述半导体为n型时，将来自步骤iii)的所述基板浸没在p型半导体的溶液中，并且当步骤i)中的所述半导体为p型时，将来自步骤iii)的所述基板浸没在n型半导体的溶液中，
v)在步骤iv)的所述半导体顶部上蒸发背触点导电层，其中层厚度优选为约50nm至100nm，并且
任选地将步骤i)至步骤v)中形成的所述层施加到第二基板。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述一种或多种分子连接体为能够修饰基板或背触点的至少一个表面并将其连接到所述半导体的所述表面的连接体，并且其中所述一种或多种连接体优选能够形成具有电子传输性质的自组装单层。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述一种或多种分子连接体选自芳族衍生物或短碳链(至多C6)有机化合物以及具有至少一个与半导体配位的羧基或膦酸基和至少一个与所述金属纳米颗粒配位的胺或硫醇基团的衍生物。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述分子连接体选自4-氨基苯甲酸(pABA)、4-巯基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、3-巯基苯甲酸、4-甲酰基苯甲酸(pFBA)、(4-氨基苄基)膦酸、2-氨基苯甲酸、2-巯基苯甲酸、对苯二甲酸、4'-氨基-[1,1'-联苯]-4-羧酸、萘衍生物和聚芳族化合物衍生物。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述n型半导体选自TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3或其组合。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述p型半导体选自NiO、CuXO2，其中X＝Al、Cr、Ga、Fe及其组合。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述导电基板选自氧化铟锡、氟化氧化锡和导电聚合物。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的方法，其中所述金属纳米颗粒选自铜、金、银或铝。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述金属纳米颗粒为银纳米颗粒。
21.根据权利要求12至20中任一项所述的方法，其中所述金属纳米颗粒用稳定剂，优选甜菜苷或甜菜苷衍生物稳定。
22.根据权利要求12所述的方法，其中所述基板或所述背触点中的至少一个为透明导电物质。
23.一种建筑元件，其包含根据权利要求1至10中任一项所述的太阳能电池或可通过根据权利要求12至22中任一项所述的方法获得的太阳能电池。
24.根据权利要求23所述的建筑元件，其中所述元件选自窗户、屋顶元件、墙壁元件或其他结构或功能建筑元件。
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