CN102810595A - 基于有机过程的无机薄膜太阳电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备基于有机过程的无机薄膜太阳电池的方法。该方法采用微乳液法合成直径为10nm左右的碲化镉(CdTe)及硫化镉(CdS)纳米晶体、直径为5nm左右的氧化锌(ZnO)纳米晶体，通过旋涂纳米晶体“墨水”的方法得到CdTe/CdS平面异质结结构，该结构具有明显的光伏特性，可以用于作为太阳电池的有源层；旋涂ZnO纳米晶体“墨水”得到ZnO薄膜作为阴极缓冲层。通过该方法制备基于有机过程的无机薄膜太阳电池，降低了传统太阳电池较高的制作成本。本发明的重点在于避免了制备传统太阳电池所需要的高真空环境、以及复杂昂贵的设备，降低了太阳电池的制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于有机过程的无机薄膜太阳电池的制备方法，特别是采用无机纳米晶体“墨水”通过旋涂的方法得到无机薄膜作为太阳电池的有源层。属于新能源领域。
背景技术
随着全球能源的日趋紧张，太阳能以其无污染、可再生的优势受到世界各国的广泛重视。
最近，胶体科学的快速发展为开发下一代低成本、高效率的太阳电池提供了基础。通过简单、安全的液相合成法可以得到单分散的、钝化的、并且光电性能优异的半导体纳米晶体，这些开启了制作新型太阳电池的工艺路线。将半导体纳米晶体分散在有机溶剂中制成纳米晶体“墨水”，采用旋涂的方法在基底上制作成膜，作为太阳电池的有源层。通过有机合成的方法合成无机纳米晶体过程简单、所需设备简易，通过旋涂法得到无机薄膜不需要真空环境，进而降低了成本。由于纳米晶体的量子限制效应，可产生多激子激发(MEG)，进而增加光电流；而且，纳米晶体的禁带宽度可以随着纳米晶体粒径的大小而改变，可以通过合成不同粒径的纳米晶体得到不同禁带宽度的有源层，进而增加太阳电池的光谱响应范围。
但是，当前主流的太阳电池的高成本严重限制了太阳电池的普及利用。开发新方法或新材料以获得低成本、高效率的太阳电池，成为当今太阳电池研究的重要方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于有机过程制作低成本太阳电池的方法。
为实现以上目的，本发明采取以下技术方案：
步骤1：采用有机金属热分解法制备CdTe纳米晶体：将氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的混合物加热至澄清透明形成镉的前驱体，以三辛基膦及碲粉的混合物为碲的前驱体；将碲前驱体迅速注入镉前驱体中，反应得到CdTe纳米晶体。
步骤2：采用有机金属热分解法制备CdS纳米晶体：将氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的混合物加热至澄清透明形成镉的前驱体，以三辛基膦及硫粉的混合物为硫的前驱体；将硫前驱体迅速注入镉前驱体中，反应得到CdS纳米晶体。
步骤3：制备ZnO纳米晶体：将氢氧化钾的甲醇溶液逐滴加入至60℃的乙酸锌的甲醇溶液中，在不断搅拌下维持60℃反应生成ZnO纳米晶体。
步骤4：将步骤1、2、3中得到的纳米晶体分别制成CdTe、CdS、ZnO纳米晶体“墨水”。
步骤5：将步骤4中得到的CdTe、CdS、ZnO纳米晶体“墨水”依次旋涂到涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃上。
步骤6：蒸镀铝电极。
在所述的步骤1中，氧化镉与碲粉的摩尔数比值为2∶1，氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的摩尔数比值为1∶6∶5，三辛基膦与碲粉摩尔数比值为5.6∶1；CdTe纳米晶体为直径10nm的量子点。
在所述的步骤2中，氧化镉与硫粉的摩尔数比值为2∶1，氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的摩尔数比值为1∶6∶5，三辛基膦与硫粉摩尔数比值为5.6∶1；CdS纳米晶体为直径为10nm的量子点。
在所述的步骤3中，氢氧化钾的甲醇溶液浓度为0.43mmol/ml，乙酸锌的甲醇溶液浓度为0.108mmol/ml；
在所述的步骤4中，CdTe纳米晶体“墨水”的浓度为100mg/ml，CdS纳米晶体“墨水”的浓度为70mg/ml，ZnO纳米晶体“墨水”的浓度为40mg/ml。
在所述的步骤5中，CdTe薄膜厚度为150nm，CdS薄膜厚度为80nm，ZnO薄膜厚度为40nm。
在所述的步骤6中，铝电极厚度为100-120nm之间。
本发明的优点在于：1.不同尺寸的纳米晶体具有不同的带隙，因此可以通过合成的方法得到的无机纳米晶体，可以通过改变反应温度、时间及配体，得到不同尺寸、不同带隙的纳米晶体，以满足在AM1.5光谱下太阳电池有源层最优的带隙宽度(1.0-1.6eV)的要求。2.将纳米晶体制成纳米晶体“墨水“通过旋涂法得到无机薄膜，不需要复杂的设备、不需要高真空的条件，降低了太阳电池的制作成本。3.旋涂法制作无机薄膜的过程可以被卷对卷印刷技术替代，从而实现太阳电池的批量生产，进一步降低太阳电池的制作成本。
因此，基于其制作工艺的简单化，基于有机过程的无机薄膜太阳电池制备方法可以作为下一代低成本太阳电池的主要制备方法。
附图说明
图1是本发明所述的基于有机过程的无机薄膜太阳电池的结构示意图。
图2是本发明所述的基于有机过程的无机薄膜太阳电池在AM1.5光照下的I-V曲线。
具体实施方式
本发明提供一种基于有机过程的无机薄膜太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
1.制备CdTe纳米晶体，方法如下：
(1)称量氧化镉210mg、三辛基氧化膦3g放入到25ml四口烧瓶中，然后加入3ml油酸；在氮气气氛在加热至100℃并保持30min，之后慢慢加热至混合物变为澄清透明，形成镉前驱体。
(2)称量100mg碲粉与2ml三辛基膦混合，超声至碲粉完全溶解，形成碲前驱体。调节镉前驱体温度至280℃，将碲前驱体迅速注入，在260℃下反应5min后停止加热，待冷却中50℃左右，加入10ml甲苯，反应停止。加入过量甲醇经离心洗涤CdS纳米晶体，重复三次洗涤过程。
2.制备CdS纳米晶体，方法如下：
(1)称量氧化镉210mg、三辛基氧化膦3g放入到25ml四口烧瓶中，然后加入3ml油酸；在氮气气氛在加热至100℃并保持30min，之后慢慢加热至混合物变为澄清透明，形成镉前驱体。
(2)称量26mg硫粉与2ml三辛基膦混合，超声至硫粉完全溶解，形成硫前驱体。调节镉前驱体温度至280℃，将硫前驱体迅速注入，在260℃下反应15min后停止加热，待冷却中50℃左右，加入10ml甲苯，反应停止。加入过量甲醇经离心洗涤CdS纳米晶体，重复三次洗涤过程。
3.把2.95g乙酸锌溶解在60℃的125ml甲醇中，在随后的10分钟内，在不断搅拌的条件下加入KOH的甲醇溶液(1.57gKOH，甲醇65ml)。Zn(OH)2析出，溶液变浑浊，5分钟后，溶液变为半透明。1.5小时后，纳米粒子开始析出，溶液变浑浊，2小时15分钟后反应结束，获得ZnO悬浊液。加入过量甲醇经离心洗涤ZnO纳米晶体，重复三次洗涤过程。最后将ZnO纳米晶体分散到正丁醇中，得到大约40mg/ml的ZnO纳米晶体“墨水”。
4.将洗涤后的CdTe纳米晶体及CdS纳米晶体分散到20ml吡啶中，在110℃下回流12小时，完成配体置换过程。然后加入过量的正己烷经离心沉淀，再分别加入1ml吡啶，得到约100mg/ml的CdTe纳米晶体“墨水”及70mg/ml的CdS纳米晶体“墨水”。
5.将上述CdTe、CdS、ZnO纳米晶体“墨水”依次旋涂到涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃上，形成ITO/PEDOT:PSS/150nmCdTe/80nmCdS/40nmZnO的薄膜结构.
6.采用真空热蒸发的方法，蒸镀120nm铝电极，太阳电池制作完成，其结构为ITO/PEDOT:PSS/150nmCdTe/80nmCdS/40nmZnO/120nmAl，如附图1所示。
实施例
以下为采用本发明提供的方法制作基于有机过程的无机薄膜太阳电池的实例。
首先合成碲化镉、硫化镉纳米晶体，合成后用甲苯洗涤三次；加入分别加入10ml吡啶，在110℃下回流12小时进行配体置换，然后用正己烷沉淀后分散在1ml吡啶中，得到100mg/ml的碲化镉纳米晶体“墨水”及70mg/ml的硫化镉纳米晶体“墨水”待用；之后合成氧化锌纳米晶体，用甲醇洗涤三次后，分散在正丁醇中，得到40mg/ml的氧化锌纳米晶体“墨水”待用。然后，采用旋涂法，依次旋涂碲化镉纳米晶体“墨水”、硫化镉纳米晶体“墨水”、氧化锌纳米晶体“墨水”分别得到厚度为150nm的碲化镉纳米晶体薄膜、80nm的硫化镉纳米晶体薄膜、40nm的氧化锌纳米晶体薄膜。最后，采用真空热蒸发的方法蒸镀厚度为120nm的铝电极，之后在AM1.5光照下对其进行I-V特性测试，其I-V曲线如图2所示。
Claims (9)
1.一种基于有机过程的无机薄膜太阳电池的制备方法，它包括以下步骤：
1)：采用有机金属热分解法制备CdTe纳米晶体：将氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的混合物加热至澄清透明形成镉的前驱体，以三辛基膦及碲粉的混合物为碲的前驱体；将碲前驱体迅速注入镉前驱体中，反应得到CdTe纳米晶体。
2)：采用有机金属热分解法制备CdS纳米晶体：将氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的混合物加热至澄清透明形成镉的前驱体，以三辛基膦及硫粉的混合物为硫的前驱体；将硫前驱体迅速注入镉前驱体中，反应得到CdS纳米晶体。
3)：制备ZnO纳米颗粒：将氢氧化钾的甲醇溶液逐滴加入至60℃的乙酸锌的甲醇溶液中，在不断搅拌下维持60℃反应生成氧化锌纳米颗粒。
4)：将步骤1)中得到的CdTe纳米晶体及CdS纳米晶体洗涤后，分别加入一定量吡啶在110℃下回流进行配体置换；然后再次洗涤后分散在吡啶中，得到CdTe、CdS纳米晶体“墨水”；将步骤2)中得到的ZnO纳米颗粒用甲醇洗涤后分散在正丁醇中，得到ZnO纳米晶体“墨水”。
5)：采用旋涂法将步骤3)中得到的CdTe、CdS纳米晶体“墨水”旋涂在涂有PEDOT:PSS的ITO玻璃上，依次得到CdTe、CdS薄膜；然后旋涂ZnO纳米晶体“墨水”得到ZnO薄膜。
6)：采用热蒸发的方法蒸镀铝电极，得到无机薄膜太阳电池。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中氧化镉与碲粉的摩尔数比值为2∶1，氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的摩尔数比值为1∶6∶5，三辛基膦与碲粉摩尔数比值为5.6∶1；反应温度为260℃，反应时间为5min。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中CdTe纳米晶体为直径5nm的量子点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中氧化镉与硫粉的摩尔数比值为2∶1，氧化镉、油酸及三辛基氧化膦的摩尔数比值为1∶6∶5，三辛基膦与硫粉摩尔数比值为5.6∶1；反应温度为260℃，反应时间为15min。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中CdS纳米晶体为直径为10nm的量子点。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中氢氧化钾的甲醇溶液浓度为0.43mmol/ml，乙酸锌的甲醇溶液浓度为0.108mmol/ml。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)中CdTe纳米晶体“墨水”的浓度为100mg/ml，CdS纳米晶体“墨水”的浓度为70mg/ml，ZnO纳米晶体“墨水”的浓度为40mg/ml。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中CdTe薄膜厚度为150nm，CdS薄膜厚度为80nm，ZnO薄膜厚度为40nm。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤6)中铝电极厚度为100-120nm之间。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103346193A (zh) * | 2013-06-29 | 2013-10-09 | 华南理工大学 | 一种CdTe纳米晶异质结太阳电池及其制备方法 |
| CN104952977A (zh) * | 2015-05-15 | 2015-09-30 | 欧贝黎新能源科技股份有限公司 | 一种无机薄膜太阳能电池的制备方法 |
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| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121205 |