CN102437210A - 全无机氧化物高效量子点太阳电池及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型全无机氧化物结构量子点太阳电池及其制作方法。该电池由PbSe/CdSe核壳量子点薄膜、NiO薄膜和ZnO纳米薄膜以及阳极和阴极组成，NiO薄膜作为空穴的收集层；ZnO纳米薄膜作为电子的收集层；PbSe/CdSe核壳量子点薄膜与ZnO纳米薄膜界面构成异质结，形成的电势差有助于光生电子从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜迁移进入氧化物电子收集层，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜与NiO薄膜界面构成异质结；阳极为ITO电极；阴极为Ag电极。其制作方法包括以下步骤：1、NiO薄膜的制备；2、PbSe/CdSe核壳量子点的合成与薄膜制备；3、ZnO纳米薄膜的制备；4、蒸镀电极。

Description

全无机氧化物高效量子点太阳电池及其制作方法

技术领域

本发明属于新能源先进制造技术领域，涉及一种新型全无机氧化物结构量子点太阳电池及其制作方法。本发明是利用空气中稳定PbSe/CdSe核壳量子点替代PbSe量子点，与金属氧化物薄膜构成新型的太阳电池。

技术背景

太阳电池是一种可持续、符合环保要求的再生性能源，完全满足新能源发展战略的要求。根据所用材料的不同，太阳电池主要有四种类型：硅太阳电池；多元化合物薄膜太阳电池；有机聚合物太阳电池；量子点(quantum dots，缩写QDs)太阳电池。硅太阳电池是当前比较成熟的技术，效率高(可以达到28％)，但价格较高，工艺复杂；多元化合物薄膜太阳电池，理论上的效率可以达到30％(对CdTe)和25％(对GaAs)，实验结果达到16-22％，缺点是材料制备要求苛刻、工艺复杂，有些材料是稀有元素，缺乏柔性等；有机聚合物太阳电池是近几年太阳电池的研究方向之一，尽管它的转换效率只有5-9％，但它具有分子结构自行设计合成、易加工、成本低、柔性好等特点；量子点太阳电池利用高比表面积量子点薄膜，获得高的转换效率，而且量子点具有量子尺寸受限效应，会导致多激子产生，理论预计转换效率可以达到60.3％以上。

量子点太阳电池的光敏材料主要是CdSe量子点和PbSe量子点。其中，CdSe量子点的吸收光谱主要在可见光区间，未能有效利用太阳能红外区间的能量，因此，具有红外吸收特性的PbSe量子点更受研究者的关注。在现有红外波段的QDs中，PbSe QDs的量子效率最高，能达到89％。同时，PbSe QDs具有较大的波尔半径，较小的电子空穴有效质量，使其与其他量子点材料相比，具有最为明显得多激子产出现象，理论转化效率为众多量子点之首。但是PbSe/CdSe量子点在空气中极易被氧化，PbSe量子点在空气中放置1-2天后，PL(光致发光)会下降90％以上；放置在空气中的PbSe量子点溶液，在12天后，由于氧化而变成无色溶液，PbSe量子点几乎完全变质。因此，PbSe量子点太阳电池需要封装在惰性气体的环境中工作。

目前，在现有的量子点太阳电池中，普遍采用有机聚合与有机聚合体共混作为转化层，有机聚合体作为载流子收集层，虽然可以提高载流子的迁移能力，但是有机材料怕水、氧，易氧化，需要在特殊的惰性环境条件下工作。这对于量子点太阳电池的发展和产业化十分不利。

为了解决这个问题，本发明利用PbSe/CdSe核壳QDs替代PbSe量子点，同时利用金属氧化物代替有机物作为载流子收集层，制作了无机结构的太阳电池。其保留了量子点太阳能电池高的光电转化效率，同时由于材料采用无机氧化物，具有极强的抗氧化性，极大的提高了稳定性。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种新型结构的全无机氧化物高效量子点太阳电池，采用PbSe/CdSe核壳量子点替代PbSe量子点，用NiO和ZnO薄膜替代有机材料作为空穴和电子收集层，集成出耐氧化的高效量子点太阳电池。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种全无机氧化物高效量子点太阳电池，由PbSe/CdSe核壳量子点薄膜、NiO薄膜和ZnO纳米薄膜以及阳极和阴极组成，所述NiO薄膜3作为空穴的收集层，其禁带宽度依赖于薄膜厚度因素，最高被占用分子轨道在5.4eV附近；所述ZnO纳米薄膜5作为电子的收集层，其禁带宽度依赖于ZnO纳米晶合成尺寸因素，最低未占据分子轨道在4.3eV附近，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与ZnO纳米薄膜5界面构成异质结，形成的电势差有助于光生电子从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4迁移进入氧化物电子收集层，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与NiO薄膜3界面构成异质结，有助于光生空穴从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4迁移进入氧化物空穴收集层；所述阳极为ITO电极2，所述阴极为Ag电极6

上述的一种全无机氧化物高效量子点太阳电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、NiO薄膜3的制备

在太阳电池制作前，将带有60nm ITO电极2的玻璃衬底1用超声净洗后，分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟；在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理；然后，使用射频磁控溅射仪在ITO电极2表面生长20nm NiO薄膜3作为空穴收集层，其生长条件为：生长速率

氧氩比2∶100、压强6毫托、射频功率200W；

步骤二、PbSe/CdSe核壳量子点的合成与薄膜制备

PbSe量子点合成：将0.892g PbO、2.26g油酸和12.848g十八烯放入三口瓶中，在氮气环境中，将其加热到170℃，迅速注入质量比为10％的6.4g Se/三丁基膦溶液，反应溶液温度迅速降至148℃，生长3分钟后，使用甲苯溶液扑灭反应，并纯化获得PbSe量子点；

PbSe/CdSe核壳量子点的合成：将环己烷丁酸镉溶入油胺，制备成0.04mol/L镉注射溶液；将Se粉溶入十八烯中，制备成0.04mol/L Se注射溶液；将上面合成的1.01×10^-4mmolPbSe量子点溶解在5mL正己烷中，连同1.5g十八胺和5.0g十八烯加入到三口瓶中，在室温下用抽真空的方法去除正己烷，随后将溶液加热到120℃，分别注入镉注射溶液和Se注射溶液，最终制备出空气稳定的PbSe/CdSe核壳量子点；

薄膜制备：经清洗后，将PbSe/CdSe核壳量子点分散在氯仿溶液中，使用匀胶机在NiO薄膜3上旋涂15nmPbSe/CdSe核壳量子点薄膜4，在80℃的烤盘上，退火30分钟制得。

步骤三、ZnO纳米薄膜5的制备

将30mL 0.08mol/L的无水醋酸锌/乙醇溶液加热至沸腾，保持20分钟，然后把溶液降温至室温，注入10mL 0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室温下生长约12小时，经提纯后，得到ZnO纳米晶，并分散在乙醇中，使用匀胶机在PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4上旋涂25nm ZnO纳米薄膜5，在80℃的烤盘上，退火30分钟制得。

步骤四、蒸镀电极

最后，采用热蒸镀的方法在ZnO纳米薄膜5上形成150nm的Ag电极6。

本发明的有益效果：设计了一种新型结构的太阳电池结构，这种太阳能电池采用无机氧化物材料地代替有机材料，同时利用空气中稳定PbSe/CdSe核壳量子点替代PbSe量子点。本发明克服了传统量子点太阳电池稳定性差，转化效率低的缺点。具有抗氧化性强、性能稳定和光电转化效率高的特点。

附图说明

图1太阳电池总体结构图。

图2太阳电池能级关系图。

图3NiO沉积在ITO电极示意图。

图4胶质PbSe/CdSe量子点溶液旋涂在NiO薄膜上示意图。

图5ZnO纳米晶溶液涂覆在PbSe/CdSe量子点层示意图。

图6热蒸镀制作Ag电极示意图。

图7器件I-V特性曲线。

1-玻璃基板 2--ITO电极 3--NiO薄膜 4--PbSe/CdSe核壳量子点薄膜 5--ZnO纳米薄膜6--Ag电极

具体实施方式

为了完成以上的发明内容，以下是本发明的具体实施方式，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

参阅图1，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与NiO薄膜3和ZnO纳米薄膜5形成合理的匹配。采用NiO薄膜3作为空穴的收集层，其禁带宽度依赖于薄膜厚度等因素，最高被占用分子轨道一般在5.4eV附近；采用ZnO纳米薄膜5作为电子的收集层，其禁带宽度依赖于ZnO纳米晶合成尺寸等因素，最低未占据分子轨道一般在4.3eV附近。其太阳能电池器件的能级关系图如图2所示。这样PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与ZnO纳米薄膜5界面构成异质结，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与NiO薄膜3界面构成异质结。前者形成的电势差有助于光生电子从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4迁移进入氧化物电子收集层，后者有助于光生空穴从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4迁移进入氧化物空穴收集层，即获得所谓“Gregg动力模式”。这种结构可以促进光生载流子的迁移能力，提高光伏器件的转换效率；同时，核壳结构保证了PbSe量子点的稳定，无机氧化物薄膜收集层具有耐氧化的性质，二者结合形成无惰性气体封装、稳定工作在空气环境中的光伏器件。ITO电极2和Ag电极6分别为太阳电池的阳极和阴极。

所述的一种全无机氧化物高效量子点太阳电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、NiO薄膜3的制备

在太阳电池制作前，将带有60nm ITO电极2的玻璃衬底1用超声净洗，分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟。在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理。然后，使用射频磁控溅射仪在ITO电极2表面生长20nm NiO薄膜3作为空穴收集层，其生长条件为：生长速率

氧氩比2∶100、压强6毫托、射频功率200W。结构如图3所示。

步骤二、PbSe/CdSe核壳量子点的合成与薄膜制备

PbSe量子点合成：将0.892g PbO、2.26g油酸和12.848g十八烯放入三口瓶中，在氮气环境中，将其加热到170℃，迅速注入6.4g Se/三丁基膦溶液(质量比为10％)，反应溶液温度迅速降至148℃，生长3分钟后，使用甲苯溶液扑灭反应，并纯化获得PbSe量子点。

PbSe/CdSe核壳量子点的合成：将环己烷丁酸镉溶入油胺，制备成0.04mol/L镉注射溶液；将Se粉溶入十八烯中，制备成0.04mol/L Se注射溶液。将上面合成的1.01×10^-4mmolPbSe量子点溶解在5mL正己烷中，连同1.5g十八胺和5.0g十八烯加入到三口瓶中，在室温下用抽真空的方法去除正己烷，随后将溶液加热到120℃，分别注入镉注射溶液和Se注射溶液，最终制备出空气稳定的PbSe/CdSe核壳量子点。

薄膜制备：经清洗后，将PbSe/CdSe核壳量子点分散在氯仿溶液中，使用匀胶机在NiO薄膜3上旋涂15nmPbSe/CdSe核壳量子点薄膜4，在80℃的烤盘上，退火30分钟，制成图4所示结构。

步骤三、ZnO纳米薄膜5的制备

将30mL 0.08mol/L的无水醋酸锌/乙醇溶液加热至沸腾，保持20分钟，然后把溶液降温至室温，注入10mL 0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室温下生长约12小时。经提纯后，得到ZnO纳米晶，并分散在乙醇中。使用匀胶机在PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4上旋涂25nm ZnO纳米薄膜5，在80℃的烤盘上，退火30分钟，制成图5所示结构。

步骤四、蒸镀电极

最后，采用热蒸镀的方法在ZnO纳米薄膜5上形成150nm的Ag电极6，其结构如图6所示。

这样就完成了全无机氧化物高效太阳能量子点电池的制作。器件的无光和有光下I-V特性如图7所示。

Claims (2)

1.一种全无机氧化物高效量子点太阳电池，由PbSe/CdSe核壳量子点薄膜、NiO薄膜和ZnO纳米薄膜以及阳极和阴极组成，其特征在于，所述NiO薄膜(3)作为空穴的收集层，其禁带宽度依赖于薄膜厚度因素，最高被占用分子轨道在5.4eV附近；所述ZnO纳米薄膜(5)作为电子的收集层，其禁带宽度依赖于ZnO纳米晶合成尺寸因素，最低未占据分子轨道在4.3eV附近，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜(4)与ZnO纳米薄膜(5)界面构成异质结，形成的电势差有助于光生电子从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜(4)迁移进入氧化物电子收集层，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜(4)与NiO薄膜(3)界面构成异质结，有助于光生空穴从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜(4)迁移进入氧化物空穴收集层；所述阳极为ITO电极(2)，所述阴极为Ag电极(6)。

2.如权利要求1所述的一种全无机氧化物高效量子点太阳电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、NiO薄膜(3)的制备

在太阳电池制作前，将带有60nm ITO电极(2)的玻璃衬底(1)用超声净洗后，分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟；在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理；然后，使用射频磁控溅射仪在ITO电极(2)表面生长20nm NiO薄膜(3)作为空穴收集层，其生长条件为：生长速率

氧氩比2∶100、压强6毫托、射频功率200W；

步骤二、PbSe/CdSe核壳量子点的合成与薄膜制备

PbSe量子点合成：将0.892g PbO、2.26g油酸和12.848g十八烯放入三口瓶中，在氮气环境中，将其加热到170℃，迅速注入质量比为10％的6.4g Se/三丁基膦溶液，反应溶液温度迅速降至148℃，生长3分钟后，使用甲苯溶液扑灭反应，并纯化获得PbSe量子点；

PbSe/CdSe核壳量子点的合成：将环己烷丁酸镉溶入油胺，制备成0.04mol/L镉注射溶液；将Se粉溶入十八烯中，制备成0.04mol/L Se注射溶液；将上面合成的1.01×10^-4mmolPbSe量子点溶解在5mL正己烷中，连同1.5g十八胺和5.0g十八烯加入到三口瓶中，在室温下用抽真空的方法去除正己烷，随后将溶液加热到120℃，分别注入镉注射溶液和Se注射溶液，最终制备出空气稳定的PbSe/CdSe核壳量子点；

薄膜制备：经清洗后，将PbSe/CdSe核壳量子点分散在氯仿溶液中，使用匀胶机在NiO薄膜(3)上旋涂15nmPbSe/CdSe核壳量子点薄膜(4)，在80℃的烤盘上，退火30分钟制得。

步骤三、ZnO纳米薄膜(5)的制备

将30mL 0.08mol/L的无水醋酸锌/乙醇溶液加热至沸腾，保持20分钟，然后把溶液降温至室温，注入10mL 0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室温下生长约12小时，经提纯后，得到ZnO纳米晶，并分散在乙醇中，使用匀胶机在PbSe/CdSe核壳量子点薄膜(4)上旋涂25nmZnO纳米薄膜(5)，在80℃的烤盘上，退火30分钟制得。

步骤四、蒸镀电极

最后，采用热蒸镀的方法在ZnO纳米薄膜(5)上形成150nm的Ag电极(6)。

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