CN102593206A - 一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池及其制备方法 - Google Patents

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任志瑞
王丽师
李萍
李开祥
李梦真
李波
陈义鹏
葛林
姜立芳
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Abstract

一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池，以FTO为衬底阳极、以TiO2为阻挡层、以TiO2为n型层、以PbS量子点为p型层、以Au为电极层并依次叠加构成，其中TiO2和PbS量子点构成活性层；其制备方法是：在清洗、干燥后的衬底上依次旋涂阻挡层TiO2膜、活性层TiO2膜、PbS量子点和MPA甲醇溶液，最后真空热蒸镀上金电极。本发明的优点是：该太阳能电池活性层中n型半导体材料与p型量子点交叉混合形成多个异质结，把量子点运用到体异质结太阳能电池上，既利用了体异质结结构的结构优势，又利用了量子点特有的性质，有利于提高太阳能电池的转化效率；该太阳能电池制备方法工艺简单、易于实施，有利于大规模推广应用。

Description

一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池及其制备，特别是一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池及其制备方法。
背景技术
量子点材料具有价格低廉、吸收范围宽广和较为稳定等诸多优点。同时还具有特有的性质：1)量子限制效应：将量子点应用在太阳能电池上，可以通过控制粒径的尺寸大小改变其吸收波长；2)碰撞离化效应：是指在半导体材料中，当外界提供大于能带的能量时，被激发的电子会以热电子的形式存在，当此热电子由高能级激发态回到低能级激发态时，所释放的能量可将另一个电子由价带激发至导带，此称为碰撞离化化效应，利用此效应，一个高能量的光子可以激发两个或数个热电子，但在半导体块材中热电子的冷却速度非常快，所以上述效应并不明显，然而当半导体材料达到量子点尺寸时，连续的导带逐渐分裂成许多细小的能级，使得热电子冷却速度变慢，所以碰撞离化效应能有效发挥，碰撞离化效应可增加电池的光电流；3)小带结构：半导体材料在量子化后会产生能带分裂的现象，因此在各量子点之间会产生许多细小而连续的能级，称为小带，这种能级结构可以降低热电子的冷却速率，且为热电子提供许多良好的传导和收集路径，使热电子能在较高能级处向外传出，因此可得到较高的光电压。这些效应可用来增强光电转化效率。
异质结型太阳能电池：异质结型器件的结构和肖特基型类似，不同的是其器件结构的活性层是由给体和受体两种材料组成，而不是单一的半导体材料。两种材料之间由于存在能级差而产生一定的电势驱动力，活性层受光激发产生的激子正是通过电势驱动力的作用在给体-受体界面处分离，这就形成了所谓的异质结结构。
无机光伏异质结的类型包括在P型材料和n型材料的界面处形成的p-n异质结，以及在无机光电导材料和金属的界面处形成的肖特基-势垒异质结。
异质结结构包括双层异质结结构和体异质结结构，双层异质结的给体和受体接触面积小，只有在给体和受体接触界面处才会有内建电场，此处光激发的载流子有较大的迁移率，而中性区载流子的迁移率很低，则载流子会在活性层中复合或以其它形式的能量而损失；若使活性区变薄，则会影响对太阳光的吸收就会影响电池的效率。体异质结太阳能电池的活性层是由给体材料和受体材料共混制备而成，这种结构的器件可以使给受体材料以纳米级别的尺寸均匀分散开，这样极大程度的地增加给受体的接触面积，使活性层中处处产生内建电场，提高载流子的传输率。
体异质结太阳能电池的光电转化原理：入射光被活性层吸收，活性层中给体中的电子由价带跃迁到导带，在价带中留下空穴。对于电子，在能量上趋于移动到更低能级，而对于空穴，在能量上趋于移动到更高能级，更简洁的说电子下落空穴上升，这样当载流子扩散到给体和受体的界面处时，在电势差的作用下，电子由给体的导带转移到受体的导带，空穴由受体的价带转移到给体的价带上，它们在内建电场的作用下在活性层中分别传输到阴阳两级并被两极收集。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池活性层中n型半导体材料与p型量子点交叉混合形成多个异质结，有利于提高太阳能电池的转化效率；该太阳能电池制备方法工艺简单、易于实施。
本发明的技术方案：
一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池，以掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)为衬底阳极、以TiO2为阻挡层、以TiO2为n型层、以PbS量子点为p型层、以Au为电极层并依次叠加构成，其中TiO2和PbS量子点构成活性层。
所述阻挡层TiO2膜的厚度为100nm，活性层TiO2和PbS量子点层的厚度为300nm，电极层Au的厚度为100nm。
一种所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1)将掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇依次进行超声清洗，然后干燥；
2)在上述衬底上用第一种TiO2的乙醇溶液旋涂第一层TiO2膜，转速为1000rpm，自然干燥后，在200℃下热处理30min；
3)在上述第一层TiO2膜上用第二种TiO2的乙醇溶液旋涂第二层TiO2膜，转速为600rpm，自然干燥后，在200℃下热处理30min，然后在400℃下热处理60min；
4)在上述第二层TiO2膜上用PbS量子点氯仿混合液旋涂一层PbS量子点，转速是1200pm，接着再旋涂一层巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，转速是2500rpm，接着滴0.2-0.4ml甲醇溶液，用2500rpm转速旋转，如此重复3-5次达到活性层所需的厚度，然后在真空度为10-2帕、110℃温度下干燥30min；
5)最后在真空度为10-5帕下热蒸镀上金电极。
所述第一种TiO2-乙醇溶液中，TiO2颗粒为10-20nm，TiO2与乙醇的质量比为1∶5。
所述第二种TiO2的乙醇溶液中，TiO2颗粒为100-200nm，TiO2与乙醇的质量比为1∶5。
所述PbS量子点氯仿混合液中，PbS量子点为3.7nm，其带隙为1.3ev，PbS分散在氯仿中的浓度为10mg/ml。
所述MPA的甲醇溶液中MPA与甲醇的体积比为1∶10。
本发明的优点和积极效果：
该太阳能电池活性层中n型半导体材料与p型量子点交叉混合形成多个异质结，把量子点运用到体异质结太阳能电池上，既利用了体异质结结构的结构优势，又利用了量子点特有的性质，有利于提高太阳能电池的转化效率；该太阳能电池制备方法工艺简单、易于实施，有利于大规模推广应用。
附图说明
图1是该耗尽型体异质结量子点太阳能电池结构示意图。
图2是该耗尽型体异质结量子点太阳能电池在光照时载流子的转移图。
具体实施方式
实施例：
一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池，如图1所示，以掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)为衬底阳极、以TiO2为阻挡层、以TiO2为n型层、以PbS量子点为p型层、以Au为电极层并依次叠加构成，其中TiO2和PbS量子点构成活性层，所述阻挡层TiO2膜的厚度为100nm，活性层TiO2和PbS量子点膜的厚度为300nm，电极层Au的厚度为100nm。
该耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，所用的TiO2是购买的，所用的PbS量子点是通过LSS法合成的，PbS表面包覆着油酸链，步骤如下：
1)将掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇依次进行超声清洗，然后干燥；
2)在上述衬底上用第一种TiO2的乙醇溶液旋涂厚度为100nm的第一层TiO2膜，第一种TiO2-乙醇溶液中TiO2颗粒为10nm，TiO2与乙醇的质量比为1∶5，转速为1000rpm，自然干燥后，在200℃下热处理30min，选择颗粒小的TiO2是为了形成一层致密的膜，防止PbS直接和FTO接触；
3)在上述第一层TiO2膜上用第二种TiO2的乙醇溶液旋涂第二层TiO2膜，第二种TiO2-乙醇溶液中TiO2颗粒为100nm，TiO2与乙醇的质量比为1∶5，转速为600rpm，自然干燥后，在200℃下热处理30min，然后在400℃下热处理60min，选择颗粒大的TiO2是为了形成的膜有空隙可以使PbS量子点渗透到其缝隙中，与其形成体异质结；
4)在上述第二层TiO2膜上用PbS量子点氯仿混合液旋涂一层PbS量子点，转速是1200pm，PbS量子点氯仿混合液中PbS量子点为3.7nm，其带隙为1.3ev，PbS分散在氯仿中的浓度为10mg/ml，接着再旋涂一层巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，MPA的甲醇溶液中MPA与甲醇的体积比为1∶10，转速是2500rpm，接着滴0.3ml甲醇溶液，用2500rpm转速旋转，如此重复4次使活性层的厚度为300nm，然后在真空度为10-2帕、110℃温度下干燥30min；
5)最后在真空度为10-5帕下热蒸镀上厚度为100nm的金电极。
图2是该耗尽型体异质结量子点太阳能电池在光照时载流子的转移图，图中表明：对于3.7nm的PbS量子点，其1S电子的激发态处于TiO2导带的0.3ev上，因此会形成一种额外的驱动力使得电子只能从PbS转移到TiO2上；在价带处，由于TiO2较大的带隙使得PbS的HOMO能级出现了大于1.5ev的不连续，这就阻止了空穴的注入，减少了载流子的复合(参见Byung-Ryool Hyun，Yu-Wu.Zhong，ACS Nano，2008，2(11)，pp 2206-2212)。
在一般的异质结器件中，中性区中产生的电子空穴对被电极收集的效率很低，是因为量子点薄膜中电子的迁移率很低，不容易被收集；而体异质结结构增加了吸光量子点的体积，并且使整个量子点薄膜都是耗尽型的，减少了吸光率和内量子效率的失配度，同时提高了外量子效率。

Claims (7)

1.一种耗尽型体异质结量子点太阳能电池，其特征在于：以掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)为衬底阳极、以TiO2为阻挡层、以TiO2为n型层、以PbS量子点为p型层、以Au为电极层并依次叠加构成，其中TiO2和PbS量子点构成活性层。
2.根据权利要求1所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池，其特征在于：所述阻挡层TiO2膜的厚度为100nm，活性层TiO2和PbS量子点层的厚度为300nm，电极层Au的厚度为100nm。
3.一种如权利要求1所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：
1)将掺氟的SnO2导电玻璃(FTO)衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇依次进行超声清洗，然后干燥；
2)在上述衬底上用第一种TiO2的乙醇溶液旋涂第一层TiO2膜，转速为1000rpm，自然干燥后，在200℃下热处理30min；
3)在上述第一层TiO2膜上用第二种TiO2的乙醇溶液旋涂第二层TiO2膜，转速为600rpm，自然干燥后，在200℃下热处理30min，然后在400℃下热处理60min；
4)在上述第二层TiO2膜上用PbS量子点氯仿混合液旋涂一层PbS量子点，转速是1200pm，接着再旋涂一层巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，转速是2500rpm，接着滴0.2-0.4ml甲醇溶液，用2500rpm转速旋转，如此重复3-5次达到活性层所需的厚度，然后在真空度为10-2帕、110℃温度下干燥30min；
5)最后在真空度为10-5帕下热蒸镀上金电极。
4.根据权利要求3所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第一种TiO2-乙醇溶液中，TiO2颗粒为10-20nm，TiO2与乙醇的质量比为1∶5。
5.根据权利要求3所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述第二种TiO2的乙醇溶液中，TiO2颗粒为100-200nm，TiO2与乙醇的质量比为1∶5。
6.根据权利要求3所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述PbS量子点氯仿混合液中，PbS量子点为3.7nm，其带隙为1.3ev，PbS分散在氯仿中的浓度为10mg/ml。
7.根据权利要求3所述耗尽型体异质结量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述MPA的甲醇溶液中MPA与甲醇的体积比为1∶10。
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