CN102544373B

CN102544373B - 一种量子点敏化有序体异质结太阳电池及其制备方法

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Publication number: CN102544373B
Application number: CN201210013776.8A
Authority: CN
Inventors: 黄金昭; 徐锡金; 邵明辉
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: University of Jinan
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2032-01-17
Also published as: CN102544373A

Abstract

本发明属于太阳电池的技术领域，具体涉及一种量子点敏化有序体异质结太阳电池及其制备方法。该量子点敏化有序体异质结太阳电池采用有机/无机复合结构，该太阳电池包括金属电极、表面有透明导电膜ITO的透明玻璃衬底，该透明玻璃衬底的透明导电膜ITO上为ZnO纳米薄膜层，在该ZnO纳米薄膜层上为一维有序纳米结构ZnO和活性层，活性层上为PEDOT:PSS缓冲层，在该PEDOT:PSS缓冲层上有电极修饰层；所述活性层包括单核或者核壳结构的窄带隙多尺寸量子点和有机给体。该太阳电池采用有机/无机复合结构，能够提高现有有机太阳电池的转换效率、降低制备成本、延长工作寿命。

Description

一种量子点敏化有序体异质结太阳电池及其制备方法

技术领域

本发明属于太阳电池的技术领域，具体的涉及一种量子点敏化有序体异质结太阳电池及其制备方法。

背景技术

能源与环境问题是当今世界的两大主要问题。太阳能的大规模应用是解决能源与环境问题，实现人类社会可持续发展的有效途径。在太阳能的利用方式中，太阳电池是一类重要的方式。有机太阳电池具有容易进行分子水平上的裁剪和设计、材料来源广、生产工艺简单、制备成本低、易于大面积制作以及可获得柔性电池等优点，已成为现代光伏技术发展的重要方向，具有广阔的产业化前景。

但仍有诸多因素制约着有机太阳电池光电转换效率的提高，以下几个方面的因素是比较关键的：①太阳光谱中的约占45%的近红外光没有被电池有效利用；②有机太阳电池材料较短的激子扩散长度限制了激子的有效离化以及电子、空穴的有效收集；③有机太阳电池中电子、空穴不能有效传输且在传输过程中容易复合；④有机太阳电池的寿命短。上述因素与材料、器件结构及制备技术，特别是与电池活性层的微观结构有密切联系。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在的缺陷而提供一种量子点敏化有序体异质结太阳电池及其制备方法，该太阳电池采用有机/无机复合结构，能够提高现有有机太阳电池的转换效率、降低制备成本、延长工作寿命。

本发明的技术方案为：一种量子点敏化有序体异质结太阳电池，所述太阳电池采用

有机/无机复合结构，该太阳电池包括金属电极、表面有透明导电膜ITO的透明玻璃衬底，该透明玻璃衬底的透明导电膜ITO上为ZnO（氧化锌）纳米薄膜层，在该ZnO纳米薄膜层上为一维有序纳米结构ZnO和活性层，活性层上为PEDOT:PSS缓冲层，在该PEDOT:PSS缓冲层上有电极修饰层；所述活性层包括单核或者核壳结构的窄带隙多尺寸量子点和有机给体。

所述一维有序纳米结构ZnO垂直于透明玻璃衬底，这样有利于后续制作步骤的进行。

所述金属电极为Au(金)或Al（铝）电极。

所述窄带隙多尺寸量子点为CdSe（硒化镉）或CdS/CdSe（硫化镉/硒化镉）。

所述电极修饰层为MoO₃（氧化钼）或CsF（氟化铯）。

一种制备权利要求1所述量子点敏化有序体异质结太阳电池的方法，包括以下步骤：

（1）在表面有透明导电膜ITO的透明玻璃衬底上用超声喷雾热分解的方法制备一层ZnO纳米薄膜层，超声喷雾热分解过程中的温度保持在300 ℃；

（2）在步骤（1）所制备的ZnO纳米薄膜层上制备一维有序纳米结构ZnO；

（3）制备单核或核壳结构窄带隙多尺寸量子点；

（4）进行活性层的制备，先对步骤（2）所制备的一维有序纳米结构ZnO进行表面修饰或者等离子处理，然后将一维有序纳米结构ZnO吸附步骤（3）制备的窄带隙多尺寸量子点，最后在电场诱导下进行旋涂有机给体，在旋涂完有机给体后在氮气保护下热处理有机给体，完成活性层的制备；

（5）在步骤(4)所制备的活性层上采用旋涂法制备PEDOT:PSS缓冲层；

（6）采用热蒸发的方法，在步骤（5）所制备的PEDOT:PSS缓冲层上制备电极修饰层；

（7）采用热蒸发的方法，在步骤（6）所制备的电极修饰层上制备金属电极。

所述步骤（2）中制备一维有序纳米结构ZnO的方法采用水热法或PLD法（脉冲激光沉积法）或热CVD法（热化学气相沉积法）。

所述步骤（3）中制备窄带隙多尺寸量子点的方法采用热分解法或微乳液法或低温水热法或电化学沉积法。

步骤（4）活性层的制备还可以采用将窄带隙多尺寸量子点和有机给体做成混合浆料，然后用旋涂的方式制备该活性层。具体步骤如下：（1）在表面有透明导电膜ITO的透明玻璃衬底上用超声喷雾热分解的方法制备一层ZnO纳米薄膜层，超声喷雾热分解过程中的温度保持在300 ℃；（2）在步骤（1）所制备的ZnO纳米薄膜层上制备一维有序纳米结构ZnO；（3）制备单核或核壳结构窄带隙多尺寸量子点；（4）进行活性层的制备，将步骤（3）所制备的窄带隙多尺寸量子点与有机给体充分混合，做成混合浆料，然后采用旋涂的方式制备该活性层；（5）在步骤(4)所制备的活性层上采用旋涂法制备PEDOT:PSS缓冲层；（6）采用热蒸发的方法，在步骤（5）所制备的PEDOT:PSS缓冲层上制备电极修饰层；（7）采用热蒸发的方法，在步骤（6）所制备的电极修饰层上制备金属电极。

本发明的有益效果为：采用这种结构具有如下优势：①一维有序纳米结构及量子点结构能增大P-N 结界面，从而能更有效的产生激子并有效的使电荷分离；②一维有序纳米结构可以提高电子的输运能力，同时有机分子沿有序表面的排布也能提高空穴的传输效率并减小电子和空穴在传输过程中的复合；③作为给体材料的有机给体和作为受体材料的量子点能级结构的合理搭配，能实现载流子的有效传输和收集；④利用窄带隙多尺寸量子点与ZnO复合能实现宽光谱吸收；⑤无机材料具有良好的稳定性，有机/无机复合结构能够延长太阳电池的寿命；⑥在活性层的制备中，采用了一些新的技术，如电场诱导分子极化取向、表面修饰、等离子体处理及热处理等，这有助于进一步提高电池的性能。

附图说明

图1 为本发明具体实施方式中量子点敏化有序体异质结太阳电池的结构示意图。

其中，1为透明玻璃衬底，2为透明导电膜ITO， 3为ZnO纳米薄膜层，4为一维有序纳米结构ZnO，5为窄带隙多尺寸量子点，6为有机给体，7为PEDOT:PSS缓冲层，8为电极修饰层，9为金属电极。

具体实施方式

从图1中可以看出，本发明的量子点敏化有序体异质结太阳电池采用有机/无机复合结构，该太阳电池包括金属电极9、表面有透明导电膜ITO 2的透明玻璃衬底1，该透明玻璃衬底1的透明导电膜ITO 2上为ZnO（氧化锌）纳米薄膜层3，在该ZnO纳米薄膜层3上为一维有序纳米结构ZnO 4和活性层，活性层上为PEDOT:PSS缓冲层7；所述活性层包括单核或者核壳结构的窄带隙多尺寸量子点5和有机给体6。

在所述的PEDOT:PSS缓冲层7上有电极修饰层8。

所述一维有序纳米结构ZnO 4垂直于透明玻璃衬底1。

所述金属电极9为Au(金)或Al（铝）电极。

所述窄带隙多尺寸量子点5为CdSe（硒化镉）或CdS/CdSe（硫化镉/硒化镉）。

所述电极修饰层8为MoO₃（氧化钼）或CsF（氟化铯）。

实施例1

（1）在表面有透明导电膜ITO 2的透明玻璃衬底1上用超声喷雾热分解的方法制备一层ZnO纳米薄膜层3（约50 nm），超声喷雾热分解生长过程中的温度保持在300 ℃。ITO的方块电阻为50 Ω/□，ITO导电玻璃的透过率大于85%。

（2）在步骤（1）所制备的ZnO纳米薄膜层上采用水热法制备取向、高度、长径比、空隙大小、形貌可控的一维有序纳米结构ZnO。将乙酸锌放在一个能够旋紧的带盖容器中，向其中注入去离子水，并借助于超声使其充分溶解，然后向溶液中滴入氨水，并不断摇动，当溶液变澄清时，停止注入氨水。之后将生长有ZnO纳米颗粒层（约50 nm）的ITO玻璃片垂直放入容器的支架上，并将盖拧紧。最后把容器放入温度为95 ℃的烘箱中，并持续加热。然后把容器取出，在空气中冷却。把冷却后的样品取出，并用去离子水反复清洗，直至表面没有残留物。在制备过程中需结合制备条件，使核层一维有序纳米ZnO4尽量垂直于衬底生长，这样有利于后续制作步骤的进行。

（3）采用热分解法制备尺寸、形貌、结构可控的单核或核壳结构窄带隙多尺寸CdSe量子点。称取一定量的CdO（氧化镉），油酸（OA），十八烯（ODE）放入三颈烧瓶中。在氩气保护下，将三颈烧瓶中的溶液搅拌并加热到180 ℃左右，使CdO 溶解形成Cd（镉）反应溶液。将一定量的Se粉溶解于三辛基膦（TOP）中，然后充分搅拌，使Se（硒）粉在TOP 中分散均匀。将三颈烧瓶内的溶液继续升温至275 ℃时，快速的将Se前驱液注入到Cd前驱液中进行反应，反应时间的不同对应不同尺寸的量子点。将反应得到的量子点溶液溶于氯仿，用滤纸过滤去除多余的OA。将滤液用丙酮洗涤、分层、离心，得到的固体再溶于氯仿，再用甲醇洗涤、分层、离心，反复清洗两次之后，使得大部分OA 和未反应的反应物被清洗掉。将固体溶于氯仿，放入减压蒸馏装置抽干后，最后得到CdSe 量子点。

（4）进行活性层的制备，先对步骤（2）所制备的一维有序纳米结构ZnO进行表面修饰或者等离子处理，来提高聚合物与纳米结构的浸润性，将合成的功能分子包裹的CdSe量子点从亲油性改为亲水性后，再将一维有序纳米ZnO放入CdSe量子点溶液中，使CdSe量子点直接吸附到ZnO上。将CdSe量子点由亲油性改为亲水性得方法为：将 OA包裹的量子点加入巯基丙酸（MPA）和环已酮中并搅拌，再加入酒精，然后用离心机离心，离心后的沉淀加入适量的四甲基氢氧化铵，其PH值可由醋酸调节。将配成溶液的P3HT有机给体用甩胶机在吸附量子点后的ZnO上进行旋涂。在旋涂P3HT（3-己基噻吩聚合物）有机给体的过程中可以进行电场诱导，电场诱导有利于提高有机物的载流子迁移率，可使分子极化取向制备。同时可以通过改变溶剂的种类及浓度，来改善有机物的填充效果。

（5）在步骤(4)所制备的活性层上采用旋涂法制备PEDOT:PSS缓冲层，PEDOT:PSS缓冲层能有效传输空穴。

（6）采用热蒸发的方法，在步骤（5）所制备的PEDOT:PSS缓冲层上制备无机超薄电极修饰层MoO₃电极修饰层，电极修饰层能有效提高电池的性能。

（7）采用热蒸发的方法，在步骤（6）所制备的电极修饰层上制备金属电极Al。

本发明不限于上述的实施例，一维有序纳米结构ZnO可以采用其它的方法制备，如PLD法、热CVD法，窄带隙多尺寸量子点除采用单核结构外还可采用核壳结构，其制备方法也可采用微乳液法、低温水热法、电化学沉积法等方法，在活性层的制备过程中可以采取表面修饰、热处理等其它技术，活性层的制备也可采用将窄带隙多尺寸量子点和有机给体做成混合浆料，然后用旋涂的方式制备，无机超薄电极修饰层和金属电极也可采用其它材料。

Claims

1.一种制备量子点敏化有序体异质结太阳电池的方法，包括以下步骤：

（1）在表面有透明导电膜ITO的透明玻璃衬底上用超声喷雾热分解的方法制备一层厚度为50 nm的 ZnO纳米薄膜层，超声喷雾热分解生长过程中的温度保持在300 ℃；

（2）在步骤（1）所制备的ZnO纳米薄膜层上制备一维有序纳米结构ZnO；首先将乙酸锌放在带盖容器中，向其中注入去离子水，并借助于超声使其充分溶解，然后向溶液中滴入氨水，并不断摇动，当溶液变澄清时，停止注入氨水；之后将生长有厚度为50 nm ZnO纳米颗粒层的ITO玻璃片垂直放入容器的支架上，并将盖拧紧；最后把容器放入温度为95 ℃的烘箱中，并持续加热；然后把容器取出，在空气中冷却；把冷却后的样品取出，并用去离子水反复清洗，直至表面没有残留物；

（3）制备单核或核壳结构窄带隙多尺寸量子点；首先称取一定量的氧化镉，油酸，十八烯放入三颈烧瓶中，在氩气保护下，将三颈烧瓶中的溶液搅拌并加热到180 ℃左右，使氧化镉溶解形成镉反应溶液；将一定量的硒粉溶解于三辛基膦中，然后充分搅拌，使硒粉在三辛基膦中分散均匀；将三颈烧瓶内的溶液继续升温至275 ℃时，将硒前驱液注入到镉前驱液中进行反应；将反应得到的量子点溶液溶于氯仿，用滤纸过滤去除多余的油酸；将滤液用丙酮洗涤、分层、离心，得到的固体再溶于氯仿，再用甲醇洗涤、分层、离心，反复清洗两次之后，使得大部分油酸和未反应的反应物被清洗掉；将固体溶于氯仿，放入减压蒸馏装置抽干后，最后得到CdSe 量子点；

（4）进行活性层的制备，先对步骤（2）所制备的一维有序纳米结构ZnO进行表面修饰或者等离子处理；然后将合成的功能分子包裹的CdSe量子点从亲油性改为亲水性后，再将一维有序纳米ZnO放入CdSe量子点溶液中，使CdSe量子点直接吸附到ZnO上；将CdSe量子点由亲油性改为亲水性得方法为：将 OA包裹的量子点加入巯基丙酸和环已酮中并搅拌，再加入酒精，然后用离心机离心，离心后的沉淀加入适量的四甲基氢氧化铵，其PH值由醋酸调节；将配成溶液的3-己基噻吩聚合物有机给体用甩胶机在吸附量子点后的ZnO上进行旋涂；在旋涂3-己基噻吩聚合物有机给体的过程中进行电场诱导；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中制备一维有序纳米结构ZnO的方法采用水热法或PLD法或热CVD法。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中制备窄带隙多尺寸量子点的方法采用热分解法或微乳液法或低温水热法或电化学沉积法。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（4）活性层的制备还可以采用将窄带隙多尺寸量子点和有机给体做成混合浆料，然后用旋涂的方式制备该活性层。