CN103346176A - 基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法 - Google Patents

基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法 Download PDF

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姜立芳
徐建萍
张晓松
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Abstract

一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池，由ITO玻璃层、TiO2纳米晶层、小粒径的PbS量子点薄膜层、ITO层、TiO2薄膜层、大粒径的PbS量子点薄膜层和金电极叠加而成；其制备方法是：在干燥洁净的ITO衬底上旋涂TiO2纳米晶，干燥后旋涂小粒径的PbS量子点，再依次磁控溅射ITO薄膜和TiO2薄膜，然后旋涂大粒径的PbS量子点，最后真空蒸镀金电极。本发明的优点是：通过将两个基于PbS量子点的异质结太阳能电池叠加起来，使小粒径PbS量子点的电池在外面，大粒径PbS量子点电池在里面，即可实现短波长和长波长的太阳光均能被吸收利用，可大大提高对太阳光谱的利用率，从而可有效提高电池的性能。

Description

基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法
技术领域
 本发明涉及光伏器件领域，具体涉及一种基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法。
背景技术
由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳电池的理论转换效率一般较低。
太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，叠层太阳能电池可以将能带宽度与这些部分有最好匹配的材料，按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长较短的光被最外边的宽隙材料的电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料的电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，可以大大提高性能和稳定性。
量子点(quantum dots, QDs)是有限数目的纳米尺度原子和分子的集合体，一般粒径范围在2—20nm，由于其粒径尺寸与其激子波尔半径相当因而存在量子尺寸效应，即存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级，而且其能隙随粒径减小而不断变宽。所以可以通过合成时控制量子点的粒径来调节量子点的带隙宽度，从而可以实现在叠层太阳能电池中应用同一种材料，避免了寻找能级匹配的不同材料的麻烦。
PbS的激子波尔半径较大，容易实现量子尺寸效应，通过在合成时控制PbS量子点粒径的大小可以使其吸收从红外波段到可见波段可调。从而可实现对太阳光可见到红外波段的吸收。
现有基于PbS量子点电池的专利，有用PbS量子点敏化ZnO纳米片，也有用MDMO-PPV包覆PbS量子点后用于体异质结太阳能电池的，也有基于不同量子点大小的宽光谱太阳能电池，但无论哪一种都是基于单结的电池器件，而本专利是基于两个异质结的叠层量子点电池，更能有效的分离电子和空穴，有利于提高电池性能。
发明内容
本发明的目的是针对目前太阳能电池只能利用太阳光谱中可见部分波段的光，导致电池效率偏低的问题，提供一种基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法，该量子点叠层太阳能电池，通过调节量子点粒径的大小来调节带隙，并按带隙从大到小的顺序将量子点材料从外向里叠合起来，使外边宽带隙的量子点材料吸收可见部分的光，里面窄带隙的量子点材料吸收红外部分的太阳光，从而大大提高对太阳光谱的吸收，有利于提高电池效率。
本发明的技术方案：
一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池，由玻璃层、ITO层、TiO2纳米晶层、带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜层、ITO（氧化铟锡）层、TiO2薄膜层、带隙为1ev的PbS量子点薄膜层和金（Au）电极依次叠加而成，其中ITO层的厚度为50-100纳米，TiO2纳米晶层的厚度为30-50纳米，两层PbS量子点薄膜的厚度均为100-500纳米，TiO2薄膜层的厚度为40nm，Au电极的厚度为100-200纳米。
一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池的制备方法，步骤如下：
1）将沉积有ITO的玻璃衬底先后经洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声清洗后，在真空干燥箱中80℃下干燥30分钟；
2）将干燥后的ITO玻璃衬底冷却到室温后放到匀胶机上，将制备好的TiO2前驱液在1500转每分钟的转速下旋涂20s，然后在400℃下预退火10分钟，重复此过程1次，以达到所需要的膜厚。然后将其在400℃下退火1小时；
3）分别配制25mg/ml的带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液和25mg/ml的带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液作为旋涂液；
4）将退火完成的ITO片子冷却到室温后放到匀胶机上，在其上滴加带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；
5）将上述旋涂好带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；
6）将步骤4和步骤5重复不少于3次，直到达到需要的膜厚200纳米；
7）将上面干燥好的ITO片子在常温、氧气的体积百分比为1%的氧气和氩气混合气中、真空度为10-3Pa的环境下，依次磁控溅射一层50纳米厚的ITO薄膜和一层40纳米厚的TiO2薄膜，前者速率为0.25埃/秒，后者速率为0.2埃/秒；
8）将上面溅射完成的ITO片子放在匀胶机上，在其上滴加带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；
9）将上述旋涂好带隙为1ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；
10）将步骤8和步骤9重复不少于3次，直到达到需要的膜厚200纳米；
11）将上面旋涂完成并干燥好的ITO片子在真空度为10-4Pa下蒸镀厚度为100纳米—200纳米的Au电极，即完成制作该基于不同粒径大小的PbS量子点叠层太阳能电池器件。
所述TiO2前驱液的制备方法，选用钛酸丁酯为原料，无水乙醇为溶剂，冰醋酸和乙酰丙酮为催化剂和稳定剂，制备过程如下：将酞酸丁酯10毫升与53毫升的高纯无水乙醇混合，配成溶液a，另外将0.5毫升的醋酸、0.5毫升的去离子水和27毫升的高纯无水乙醇混合配成溶液b，将溶液b缓慢滴入溶液a中，搅拌均匀，再往里滴加0.3毫升的乙酰丙酮，然后在30℃下水浴加热6小时，最后加入N-N二甲基甲酰胺，再搅拌30分钟，室温下静置24小时即可。
本发明的原理与依据：
PbS的激子波尔半径较大，容易实现量子尺寸效应，通过在合成时控制PbS量子点粒径的大小可以调控其带隙宽度，从而使其吸收边从红外到可见可调。通过将PbS量子点按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长较短的光被最外边的宽带隙的PbS量子点电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙的PbS量子点电池利用，这就大大提高了对太阳光谱的利用率，从而可以有效提高电池性能。
本发明的优点是：本发明通过将两个基于PbS量子点的异质结太阳能电池叠加起来，使基于小粒径（宽带隙）PbS量子点的电池在外面，基于大粒径（窄带隙）PbS量子点的电池在里面，这样可以实现太阳光谱中波长较短的光和波长较长的光均能被吸收利用，可以大大提高对太阳光谱的利用率，从而可以有效提高电池的性能。
 
附图说明
图1是该叠层太阳能电池器件的结构示意图。
图中：1.玻璃层  2.ITO层  3.TiO2 纳米晶薄膜层  4.带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜层  5.ITO层  6..TiO2薄膜层  7.带隙为1ev的PbS量子点薄膜层  8.金（Au）电极层
图2是该叠层太阳能电池器件的能级结构图。 
具体实施方式
实施例：
一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池，如附图所示，由玻璃层1、ITO层2、TiO2纳米晶层3、带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜层4、ITO（氧化铟锡）层5、TiO2薄膜层6、带隙为1ev的PbS量子点薄膜层7和金（Au）电极8叠加而成，其中ITO层的厚度为100纳米，TiO2纳米晶层的厚度为50纳米，两层PbS量子点薄膜的厚度均为200纳米，TiO2薄膜层层的厚度为40纳米，Au电极的厚度为100纳米。
一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池制备过程如下：
1）将沉积有ITO的玻璃衬底先后经洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声清洗后，在真空干燥箱中80℃下干燥30分钟；
2）将干燥后的ITO玻璃衬底冷却到室温后放到匀胶机上，将制备好的TiO2前驱液在1500转每分钟的转速下旋涂20s，然后在400℃下预退火10分钟，重复此过程1次，以达到所需要的膜厚，然后将其在400℃下退火1小时；
所述TiO2前驱液的制备方法，选用钛酸丁酯为原料，无水乙醇为溶剂，冰醋酸和乙酰丙酮为催化剂和稳定剂，制备过程如下：
将酞酸丁酯10毫升与53毫升的高纯无水乙醇混合，配成溶液a，另外将0.5毫升的醋酸、0.5毫升的去离子水和27毫升的高纯无水乙醇混合配成溶液b，将溶液b缓慢滴入溶液a中，搅拌均匀，再往里滴加0.3毫升的乙酰丙酮，然后在30℃下水浴加热6小时，最后加入N-N二甲基甲酰胺，再搅拌30分钟，室温下静置24小时即可；
3）分别配制25mg/ml的带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液和25mg/ml的带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液作为旋涂液；
4）将退火后的ITO冷却到室温后放到匀胶机上，在其上滴加带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；
5）将上述旋涂好带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；
6）将步骤4和步骤5重复4次，使达到需要的膜厚200纳米；
7）将上面干燥好的ITO片子在常温，氧气的体积百分比为1%的氧气和氩气混合气中、真空度为10-3Pa的环境下，依次磁控溅射一层50纳米厚的ITO薄膜和一层40纳米厚的TiO2薄膜，前者速率为0.25埃/秒，后者速率为0.2埃/秒；
8）将上面溅射完成的ITO片子放在匀胶机上，在其上滴加带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；
9）将上述旋涂好带隙为1ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；
10）将步骤9和步骤10重复4次，使达到需要的膜厚200纳米；
11）将上面旋涂完成并干燥好的ITO片子在真空度为10-4Pa下蒸镀厚度为100纳米的金属Au电极，即完成制作该基于不同粒径大小的PbS量子点叠层太阳能电池器件。
图2是该叠层太阳能电池器件的能级结构图，图中表明：ITO端收集由带隙为1.6ev的PbS量子点产生的光生电子，Au电极收集带隙为1ev的PbS量子点产生的光生空穴，而带隙为1.6ev的PbS量子点产生的光生空穴和带隙为1ev的PbS量子点产生的光生电子在中间溅射的一层ITO中复合。

Claims (3)

1.一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池，其特征在于：由玻璃层、ITO层、TiO2纳米晶层、带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜层、ITO层、TiO2薄膜层、带隙为1ev的PbS量子点薄膜层和金电极叠加而成，其中ITO层的厚度为50-100纳米，TiO2纳米晶层的厚度为30-50纳米，两层PbS量子点薄膜的厚度均为100-500纳米，TiO2薄膜层层的厚度为40nm，Au电极的厚度为100-200纳米。
2.一种如权利要求1所述基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下：
1）将沉积有ITO的玻璃衬底先后经洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声清洗后，在真空干燥箱中80℃下干燥30分钟；
2）将干燥后的ITO玻璃衬底冷却到室温后放到匀胶机上，将制备好的TiO2前驱液在1500转每分钟的转速下旋涂20s，然后在400℃下预退火10分钟，重复此过程1次，以达到所需要的膜厚，然后将其在400℃下退火1小时；
3）分别配制25mg/ml的带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液和25mg/ml的带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液作为旋涂液；
4）将退火完成的ITO片子冷却到室温后放到匀胶机上，在其上滴加带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；
5）将上述旋涂好带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；
6）将步骤4和步骤5重复不少于3次，直到达到需要的膜厚200纳米；
7）将上面干燥好的ITO片子在常温、氧气的体积百分比为1%的氧气和氩气混合气中、真空度为10-3Pa的环境下，依次磁控溅射一层50纳米厚的ITO薄膜和一层40纳米厚的TiO2薄膜，前者速率为0.25埃/秒，后者速率为0.2埃/秒；
8）将上面溅射完成的ITO片子放在匀胶机上，在其上滴加带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；
9）将上述旋涂好带隙为1ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；
10）将步骤8和步骤9重复不少于3次，直到达到需要的膜厚200纳米；
11）将上面旋涂完成并干燥好的ITO片子在真空度为10-4Pa下蒸镀厚度为100-200纳米的Au电极，即完成制作该基于不同粒径大小的PbS量子点叠层太阳能电池器件。
3.根据权利要求2所述基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述TiO2前驱液的制备方法，选用钛酸丁酯为原料，无水乙醇为溶剂，冰醋酸和乙酰丙酮为催化剂和稳定剂，制备过程如下：
将酞酸丁酯10毫升与53毫升的高纯无水乙醇混合，配成溶液a，另外将0.5毫升的醋酸、0.5毫升的去离子水和27毫升的高纯无水乙醇混合配成溶液b，将溶液b缓慢滴入溶液a中，搅拌均匀，再往里滴加0.3毫升的乙酰丙酮，然后在30℃下水浴加热6小时，最后加入N-N二甲基甲酰胺，再搅拌30分钟，室温下静置24小时。
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