CN103367512B - 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法 - Google Patents

一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103367512B
CN103367512B CN201310263345.1A CN201310263345A CN103367512B CN 103367512 B CN103367512 B CN 103367512B CN 201310263345 A CN201310263345 A CN 201310263345A CN 103367512 B CN103367512 B CN 103367512B
Authority
CN
China
Prior art keywords
solar cell
tio
bulk heterojunction
layer
stick array
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310263345.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103367512A (zh
Inventor
邱泽亮
王命泰
刘长文
吴璠
张慧
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Plasma Physics of CAS
Original Assignee
Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Plasma Physics of CAS filed Critical Institute of Plasma Physics of CAS
Priority to CN201310263345.1A priority Critical patent/CN103367512B/zh
Publication of CN103367512A publication Critical patent/CN103367512A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103367512B publication Critical patent/CN103367512B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法，电池组成包括有玻璃衬基、作为阳极的FTO层、Sb2S3块体和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜层、聚合物MEH-PPV电子阻挡层、PEDOT:PSS空穴传输层以及作为电池阴极的Au膜层。本发明中电池制备方法简便，电池具有300-750nm的光谱响应范围；当整个电池的光活性层处于光照状态时，电池的转换效率达到5.58%。

Description

一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池及其制备方法领域，具体为一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法。
背景技术
随着煤、石油等化石类资源的迅速消耗和由此带来的环境污染和温室效应，探求和利用可再生能源已成为人类在21世纪迫切需要解决的首要问题之一。将太阳能转化成电能，实现光伏发电，是一种利用再生能源的重要方式。光伏发电系统中最关键的是捕获和转化太阳能的装置，即太阳电池。探求新型材料体系，提高电池效率和稳定性，降低电池成本，已成为太阳电池研究和光伏产业发展面临的主要挑战。
TiO2纳米棒（丝）形成的阵列（简称，TiO2-NA）性质稳定、环境友好、电子迁移率高、对可见光有很好的透过性、容易大面积制备、且具有很好的空间排布稳定性，是一种性能优良的光伏材料。人们将TiO2-NA和p-型无机半导体材料复合，制备无机体异质结太阳电池；其中，p-型材料充当光吸收材料、电子供体和空穴传输通道，而TiO2-NA的作用是提供电子受体和电子传输通道。这种无机体异质结太阳电池中，材料具有很高的稳定性和电荷迁移率，近年来成为低价太阳电池中的重要研究对象。Zou等（SolarEnergy2012,86,1359-1365）用溶液滴涂的方法将5nm的CdTe量子点作为光吸收材料沉积到TiO2-NA中，制成了开路电压（Voc）为0.65V、短路电流（Jsc）为0.67mA/cm2和效率（η）为0.17%的CdTe/TiO2-NA体异质结太阳电池；Kramer(Adv.Mater.2012,24,2315-2319)等，利用旋涂的方法将PbS量子点作为光吸收材料沉积到TiO2-NA中，制成了Voc=0.58V、Jsc=20.10mA/cm2和及η=5.70%的PbS/TiO2-NA体异质结太阳电池。虽然沉积量子点的方法简便，能大大减少电池制备的成本，但是这些技术也存在一些不足之处：例如，（1）量子点与TiO2-NA之间界面接触不理想，不利于吸收材料和TiO2-NA之间的能量转移；（2）通常在合成量子点时，需要用到有机表面修饰剂，来控制量子点的尺寸和团聚，有机物的存在不利于量子点相互之间及量子点与TiO2-NA之间的能量转移。近来，人们用原位沉积的方法直接在TiO2-NA中填充p-型无机材料作为光吸收材料，其中p-型无机光吸收材料形成三维尺寸均大于100nm的连续相区，避免了量子点相互之间的接触问题。Luo等（Electrochem.Solid-stateLett.2012,15,H34-H36）用电化学方法在TiO2-NA之中原位沉积Cu2O，制成了Cu2O/TiO2-NA体异质结太阳电池，性能达到Voc=0.36V、Jsc=8.91mA/cm2，FF=38.50%及η=1.25%。
Sb2S3具有较窄的带隙（Eg=1.7eV）和较大的光吸收系数（105cm-1）（ThinSolidFilms2007，515，7171-7176；Semicond.Sci.Technol.1994，9，1234-1241），是一种很有潜力的太阳电池光吸收材料。本发明中，我们先通过化学浴方法在TiO2-NA中填充非晶Sb2S3纳米颗粒，经过热诱导作用进行原位结晶，使得非晶Sb2S3结晶成三维尺寸均大于100nm的Sb2S3连续相区，获得结晶Sb2S3和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜（简称，Sb2S3/TiO2-NA复合膜）；基于Sb2S3/TiO2-NA复合膜制成的无机体异质结太阳电池（简称，Sb2S3/TiO2-NA体异质结太阳电池），具有在300-750nm的宽光谱范围内吸收太阳光子的性能和很大的光电流。
现有技术中，Liu等（Appl.Phys.Lett.2012,100，243102）利用高真空蒸发沉积的方法，将Sb2S3沉积到ZnO纳米线阵列（ZnO-NA）中，再在Sb2S3膜层上通过旋涂成膜方法沉积一层聚合物P3HT薄膜，制成了有机-无机P3HT/Sb2S3/ZnO-NA杂化太阳电池，效率达到2.9%（其中，Voc≈0.45V、Jsc≈14mA/cm2）；这种P3HT/Sb2S3/ZnO-NA杂化太阳电池的技术特点是，ZnO-NA中ZnO纳米丝短（100nm长），Sb2S3膜薄（100nm厚），Sb2S3膜仅吸收约67%光照能量，其余光照能量（约22%）由P3HT膜（40nm）补充吸收。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法。
本发明所采用的技术方案为：
一种基于无机体异质结的太阳电池，包括有玻璃衬基，其特征在于：玻璃衬基上镀有太阳电池阳极，太阳电池阳极上设置有体异质结复合膜，体异质结复合膜上沉积有电子阻挡层，电子阻挡层上沉积有空穴传输层，空穴传输层上沉积有太阳电池阴极，所述体异质结复合膜由多个TiO2纳米棒构成的TiO2纳米棒阵列、Sb2S3材料层构成，TiO2纳米棒阵列中多个TiO2纳米棒分别垂直生长于太阳电池阳极上，Sb2S3材料层沉积在太阳电池阳极上，且Sb2S3材料层在TiO2纳米棒阵列侧面及上方包围TiO2纳米棒阵列并填满TiO2纳米棒之间间隙，由TiO2纳米棒阵列构成太阳电池的电子传输通道，由Sb2S3材料层构成光吸收材料。
所述的一种基于无机体异质结的太阳电池，其特征在于：所述太阳电池阳极优选FTO层，所述电子阻挡层优选MEH-PPV膜层，所述空穴传输层优选PEDOT:PSS层，所述太阳电池阴极优选Au膜。
所述的一种基于无机体异质结的太阳电池，其特征在于：所述空穴传输层由PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液而得，所述的PEDOT:PSS和异丙醇的体积比为1:0.5-1.5
所述的一种基于无机体异质结的太阳电池，其特征在于：所述FTO层的厚度为100-450nm，TiO2纳米棒阵列的长度为200-2000nm、直径为10-100nm，TiO2纳米棒阵列的数量密度为100-500个/μm2，Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列构成的体异质结复合膜厚度为250-2200nm，MEH-PPV膜层厚度为20-100nm，PEDOT:PSS层厚度为30-80nm，Au膜厚度为60-120nm。
一种基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将FTO导电玻璃上的FTO用浓盐酸和Zn粉刻蚀成细条，再经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，干燥后得经过处理的FTO导电玻璃备用；在室温下配制体积比为0.5-1.5:1的浓HCl-水的混合物，搅拌均匀备用；
将经过处理的FTO导电玻璃的FTO面朝下悬空置于高压釜中，取30-90g浓HCl-水的混合物和0.5-1.5mL钛酸丁酯加入至含有FTO导电玻璃的高压釜中，密封后于150-200℃烘箱中反应1-5小时，从而在FTO导电玻璃的FTO层上生长出TiO2纳米棒阵列；
（2）、分别配置浓度为0.1-0.5mol/L的Na2S2O3水溶液和浓度为0.1-0.5mol/L的SbCl3的丙酮溶液；
将步骤（1）所得的生长有TiO2纳米棒阵列的FTO导电玻璃，按TiO2纳米棒阵列面朝下悬空置于4-10℃的Na2S2O3水溶液中，然后再向Na2S2O3水溶液中滴加SbCl3的丙酮溶液，滴加过程中保持冰水浴冷却；滴加完后，继续反应时间1-8小时，进行Sb2S3的化学浴沉积，沉积完后，取出FTO导电玻璃,经淋洗和干燥后，在惰性气体保护下于250-450℃下热处理10-90分钟，从而在FTO层上制得由Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜。
（3）、使用浓度为3-10mg/mL的MEH-PPV溶液，于室温下将MEH-PPV沉积到步骤（2）所得的Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜上，并在惰性气体保护下于120-180℃热处理5-30分钟，从而在体异质结复合膜上形成MEH-PPV膜层；
（4）、在步骤（3）所得的MEH-PPV膜层上旋涂一层体积比为1:0.5-1.5的PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液，在惰性气体保护下于80-120℃下热处理5-30分钟，从而在MEH-PPV膜层上形成PEDOT:PSS层作为空穴传输层，在PEDOT:PSS层上通过热蒸发方法蒸镀Au膜,得到基于无机体异质结的太阳电池；
（5）、将步骤（4）制得的太阳电池在惰性气体保护下进行封装获得太阳电池产品。
所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的钛酸丁酯可以用钛酸异丙酯代替。
所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的MEH-PPV溶液的溶剂为氯苯，或者是四氢呋喃，或者是氯仿，或者是苯。
所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，采用旋涂法，或者是丝网印刷法，或者是刮片法，或者是喷墨打印法将MEH-PPV膜层于室温下沉积到步骤（2）所得的体异质结复合膜上。
所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的旋涂操作，可以用丝网印刷法或刮片法或喷墨打印法代替。
所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）、（3）、（4）、（5）所述的惰性气体优选氮气。
本发明的原理为：
本发明利用简单的化学浴沉积方法在TiO2纳米棒阵列中填充非晶Sb2S3纳米颗粒，经过常压原位热诱导结晶,形成三维尺寸均大于100nm的结晶Sb2S3连续相区，进而获得结晶Sb2S3和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜，并由其制成无机体异质结太阳电池。在电池中，结晶Sb2S3作为光吸收材料和电子供体，TiO2纳米棒作为电子受体和直接传输通道。
本发明的有益效果为：
1、化学浴沉积与原位热诱导结晶技术的联合使用，将结晶Sb2S3块体材料沉积到TiO2纳米棒阵列（即，TiO2-NA）中，制备了结晶Sb2S3和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜（即，Sb2S3/TiO2-NA复合膜）材料，将该膜材料用于制备无机体异质结太阳电池（即，Sb2S3/TiO2-NA体异质结电池）；利用结晶Sb2S3块体材料的光吸收性能，实现了电池在300-750nm宽光谱范围内对太阳光子的吸收，而TiO2纳米棒的使用使得电池具有大面积的Sb2S3/TiO2电荷分离界面和高效的电荷直接传输通道；本发明建立了一种具有宽光谱吸收性能的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，电池效率η在完全光照情况下达到5.58%。本发明中电池器件的制备方法简便，对设备要求低，适合大规模应用，在光伏材料和低价太阳电池器件等领域具有很大的应用价值。
2、本发明的创新点有：利用简单的化学浴沉积方法，结合常压下的热诱导结晶，制备了结晶Sb2S3连续相区三维尺寸均大于100nm的Sb2S3/TiO2-NA复合膜；同时制备了基于Sb2S3/TiO2-NA体异质结复合膜且具有宽光谱吸收性能的太阳电池。
3、本发明与现有技术相比，通过化学浴沉积非晶Sb2S3和原位热诱导结晶技术的联合使用，将结晶Sb2S3块体材料沉积TiO2纳米棒中，形成Sb2S3/TiO2-NA复合膜，作为太阳电池的光活性成，其中光吸收主要由Sb2S3完成；电池材料制备主要涉及简单的溶液反应和常压下的热处理。
附图说明
图1是本发明中基于无机体异质结的太阳电池的结构示意图。
图2是本发明中TiO2纳米棒阵列的XRD表征结果图。
图3是本发明中TiO2纳米棒阵列的SEM、TEM和HRTEM表征结果图，其中：
图3a为SEM表征结果图，图3b为TEM表征结果图，图3c为HRTEM表征结果图。
图4是本发明中Sb2S3和TiO2-NA组成的复合膜在热诱导结晶前后的XRD表征结果图。
图5是本发明中Sb2S3和TiO2-NA组成的复合膜在热诱导结晶前后的SEM表征结果图，其中：
图5a为结晶前表征结果图，图5b为结晶后表征结果图。
图6是本发明中Sb2S3和TiO2-NA组成的复合膜在热诱导结晶前后的UV-vis吸收光谱表征结果图。
图7是本发明中基于无机体异质结的太阳电池的IPCE表征结果图。
图8是本发明中基于无机体异质结的太阳电池在AM1.5模拟太阳光照条件下的J-V性能表征结果图。
具体实施方式
如图1所示。一种基于无机体异质结的太阳电池，包括有玻璃衬基7，玻璃衬基7上镀有作为太阳电池阳极的FTO层6，FTO层6上设置有体异质结复合膜，体异质结复合膜上沉积有作为电子阻挡层的MEH-PPV膜层3，MEH-PPV膜层3上沉积有作为空穴传输层的PEDOT:PSS层2，PEDOT:PSS层2上沉积有作为太阳电池阴极的Au膜1，体异质结复合膜由多个TiO2纳米棒5构成的TiO2纳米棒阵列、结晶Sb2S3材料层4构成，TiO2纳米棒阵列中多个TiO2纳米棒5分别垂直生长于FTO层6上，Sb2S3材料层4沉积在FTO层6上，且结晶Sb2S3材料层4在TiO2纳米棒阵列侧面及上方包围TiO2纳米棒阵列并填满TiO2纳米棒5之间间隙，由TiO2纳米棒阵列构成太阳电池的电子传输通道，由结晶Sb2S3材料层构成光吸收材料。
空穴传输层由PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液而得，PEDOT:PSS和异丙醇的体积比为1:0.5-1.5
FTO层的厚度为100-450nm，TiO2纳米棒阵列的长度为200-2000nm、直径为10-100nm，TiO2纳米棒阵列的数量密度为100-500个/μm2，Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列构成的体异质结复合膜厚度为250-2200nm，MEH-PPV膜层厚度为20-100nm，PEDOT:PSS层厚度为30-80nm，Au膜厚度为60-120nm。
本发明中，基于无机体异质结的太阳能电池制备方法实施例如下：
实施例1：TiO2纳米棒阵列的制备。
（1-1）纳米棒阵列的制备：
先用体积比为1:1的浓HCl-水的混合物和Zn粉将FTO导电玻璃（FTO厚度为400nm，14Ω/□）上的FTO刻蚀成16×4mm2的细条；再经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，干燥后得到经过处理的FTO导电玻璃。
将30mL浓盐酸溶解于30mL去离子水中，搅拌均匀后,再加入1mL钛酸丁酯并搅拌15分钟，得到反应液；将经过处理的FTO导电玻璃正面朝下悬空置于100mL高压釜中,将事先配好的反应液加入到高压釜中，密封后于180℃烘箱中反应2.5小时；待高压釜冷却至室温后，取出样品并用去离子水淋洗数遍，得到TiO2纳米棒阵列初产物；将TiO2纳米棒阵列初产物在马弗炉中于450℃和空气条件下退火30分钟，得到TiO2纳米棒阵列（即，TiO2-NA）。
（1-2）产物的表征：
TiO2纳米棒阵列的表征见附图2和图3。X-射线衍射（XRD）测试表明，TiO2纳米棒为金红石相结构（JCPDS86-0147）；扫描电子显微镜（SEM）照片表明，所得TiO2纳米棒垂直于FTO基底生长，长度为630nm，直径为10-50nm，棒的数量密度为200-250个/μm2。透射电子显微镜（TEM）和高分辨TEM（HRTEM）表明TiO2纳米棒表面光滑，且沿着[001]方向取向生长。
实施例2：Sb2S3/TiO2-NA复合膜的制备。
（2-1）TiO2纳米棒阵列的制备：同实施例1。
（2-2）Sb2S3/TiO2-NA复合膜的制备：
将360mL浓度为0.28M的Na2S2O3溶液用冰水浴冷20分钟,使温度降至5℃左右后，再将TiO2纳米棒阵列正面朝下悬空置于该Na2S2O3溶液中；以2mL/分钟的速度向Na2S2O3溶液中滴加40mL浓度为0.29M的SbCl3的丙酮溶液，滴加过程中保持用冰浴冷却Na2S2O3溶液；滴加完后使反应在冰水浴冷却条件下继续进行6小时，进行Sb2S3的化学浴沉积。沉积完后，取出TiO2纳米棒阵列样品,并用去离子水淋洗数遍，然后用氮气吹干，得到橙红色初产物；将该初产物，在N2保护下于400℃常压退火30分钟，进行Sb2S3的热诱导结晶，得到黑色的由Sb2S3和TiO2-NA组成的体异质结薄膜（即，Sb2S3/TiO2-NA复合膜）
（2-3）产物的表征：
Sb2S3/TiO2-NA复合膜的表征见附图4、图5和图6。XRD测试表明，未经过热退火处理的样品未呈现结晶衍射峰，仅表现出非晶特征，说明经化学浴沉积到TiO2-NA上的Sb2S3是非晶状态；经过400℃退火后，样品呈现辉锑矿型Sb2S3的（JCPDS42-1393）衍射峰，说明热退火过程中Sb2S3发生了热诱导结晶。
SEM照片表明，退火前TiO2-NA实际上被覆盖了由非晶Sb2S3纳米颗粒组成的疏松膜，厚度为950nm左右；然而，经过400℃退火后，非晶Sb2S3纳米颗粒膜转变成连续和致密的块体结晶膜，厚度减小至800nm左右。SEM照片表明，热退火前后样品中TiO2纳米棒均被Sb2S3包覆。由此，先通过化学浴方法在TiO2-NA中填充非晶Sb2S3纳米颗粒，再经过原位热诱导结晶，成功制备了结晶Sb2S3连续相区三维尺寸均大于100nm的Sb2S3/TiO2-NA复合膜。吸收光谱表明，非晶Sb2S3纳米颗粒膜的吸收边带在550nm处（Eg=2.25eV），主要吸收光谱范围在300-550nm之间；而Sb2S3连续块体结晶膜的收边带在750nm处（Eg=1.65eV），其在300-750nm的光谱范围内有很强的吸收。
实施例3：Sb2S3/TiO2-NA体异质结太阳电池的制备。
（3-1）TiO2纳米棒阵列的制备：同实施例1。
（3-2）Sb2S3/TiO2-NA复合膜的制备：同实施例2。
（3-3）Sb2S3/TiO2-NA体异质结太阳电池的制备。
以新蒸氯苯为溶剂，配制浓度为5mg/mL的MEH-PPV溶液，并于室温下搅拌24小时。将150μL的MEH-PPV溶液均匀分散在Sb2S3/TiO2-NA复合膜上，进行旋涂（1000转/分钟，60秒）使MEH-PPV沉积到Sb2S3/TiO2-NA复合膜上；经40℃真空干燥6小时后，在氮气保护下于150℃热处理10分钟，在Sb2S3/TiO2-NA复合膜上形成厚度为40nm左右的MEH-PPV膜作为电子阻挡层。在MEH-PPV层上旋涂由PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液（体积比为1：1）（1000转/分钟，20-40秒）；在氮气保护下于100℃下热处理15分钟，以除去PEDOT:PSS中的水分，得到厚度为40nm左右的PEDOT:PSS空穴传输层。然后，在PEDOT:PSS层上通过真空热蒸发方法蒸镀厚度为100nm的Au膜作为阴极，压强为5×10-4Pa，蒸发速率为0.1埃/秒（前50nm）和1埃/秒（后50nm）。在氮气保护的手套箱中进行电池封装，得到Sb2S3/TiO2-NA体异质结太阳电池（见附图1）。Au电极的大小由模板控制为1×4mm2，并作为电池的有效面积。
（3-4）电池的表征：
太阳电池性能由电流-电压（J-V）曲线和IPCE谱表征，见附图7和8。电池的电流-电压（J-V）曲线和光响应谱（IPCE）的测试均是在实验室环境中完成的，其中J-V测试利用的是AM1.5模拟太阳光（光强Pin=100mW/cm2）。IPCE谱表明，在300-750nm的光谱范围内，Sb2S3/TiO2-NA体异质结电池具有很好的光电流产生性能，与Sb2S3/TiO2-NA复合膜的吸收光谱性能一致，表明电池的光吸收主要由Sb2S3完成。J-V测试过程中，采用了部分光照和完全光照两种光照条件。部分光照测量过程中，将电池的光照面积由遮挡窗口控制在位于Au电极下方并与Au电极的大小一致，这样电池的光活性层只有与Au电极大小一致的面积得到光照；完全光照测量过程中，未用遮挡窗口来限制光照面积，使整个电池中的光活性层均处于光照状态。J-V结果表明，光照面积对电池的短路电流（Jsc）有显著的影响，但对开路电压（Voc）和填充因子（FF）影响相对较小。在部分光照条件下，电池的Jsc为20.09mA/cm2，能量转换效率（η）为2.57%；在完全光照条件下,电池的Jsc和η分别达到49.07和5.58%。表1给出了不同光照条件时的电池性能比较。由此可知，在Au电极范围之外的光活性层对电流仍有很大的贡献；这说明，在实际应用中，可以通过在这些范围内增加电极数量来进一步提高光生电子的收集效率，并获得比单一电极更高的器件效率。
表1不同光照条件时的电池性能比较表
注：J-V性能测试在试验室环境中完成，电池的有效面积为4mm2；Voc﹑Jsc﹑FF和η分别为电池的开路电压、短路电流、填充因子、和能量转换效率，η=Jsc·Voc·FF/Pin。

Claims (10)

1.一种基于无机体异质结的太阳电池，包括有玻璃衬基，其特征在于：玻璃衬基上镀有太阳电池阳极，太阳电池阳极上设置有体异质结复合膜，体异质结复合膜上沉积有电子阻挡层，电子阻挡层上沉积有空穴传输层，空穴传输层上沉积有太阳电池阴极，所述体异质结复合膜由多个TiO2纳米棒构成的TiO2纳米棒阵列和Sb2S3材料层构成，TiO2纳米棒阵列中多个TiO2纳米棒分别垂直生长于太阳电池阳极上，Sb2S3材料层沉积在太阳电池阳极上，且Sb2S3材料层在TiO2纳米棒阵列侧面及上方包围TiO2纳米棒阵列并填满TiO2纳米棒之间间隙，由TiO2纳米棒阵列构成太阳电池的电子传输通道，由Sb2S3材料层构成光吸收材料；所述Sb2S3材料层为结晶Sb2S3块体材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于无机体异质结的太阳电池，其特征在于：所述太阳电池阳极为FTO层，所述电子阻挡层为MEH-PPV膜层，所述空穴传输层为PEDOT:PSS层，所述太阳电池阴极为Au膜。
3.根据权利要求2所述的一种基于无机体异质结的太阳电池，其特征在于：所述空穴传输层由PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液而得，所述的PEDOT:PSS和异丙醇的体积比为1:0.5-1.5。
4.根据权利要求2所述的一种基于无机体异质结的太阳电池，其特征在于：所述FTO层的厚度为100-450nm，TiO2纳米棒阵列的长度为200-2000nm、直径为10-100nm，TiO2纳米棒阵列的数量密度为100-500个/mm2，Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列构成的体异质结复合膜厚度为250-2200nm，MEH-PPV膜层厚度为20-100nm，PEDOT:PSS层厚度为30-80nm，Au膜厚度为60-120nm。
5.一种权利要求1-4所述基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）、将FTO导电玻璃上的FTO用浓盐酸和Zn粉刻蚀成细条，再经丙酮、异丙醇、超纯水超声清洗干净，干燥后得经过处理的FTO导电玻璃备用；在室温下配制体积比为0.5-1.5:1的浓HCl-水的混合物，搅拌均匀备用；
将经过处理的FTO导电玻璃的FTO面朝下悬空置于高压釜中，取30-90g浓HCl-水的混合物和0.5-1.5mL钛酸丁酯加入至含有FTO导电玻璃的高压釜中，密封后于150-200℃烘箱中反应1-5小时，从而在FTO导电玻璃的FTO层上生长出TiO2纳米棒阵列；
（2）、分别配置浓度为0.1-0.5mol/L的Na2S2O3水溶液和浓度为0.1-0.5mol/L的SbCl3的丙酮溶液；
将步骤（1）所得的生长有TiO2纳米棒阵列的FTO导电玻璃，按TiO2纳米棒阵列面朝下悬空置于4-10℃的Na2S2O3水溶液中，然后再向Na2S2O3水溶液中滴加SbCl3的丙酮溶液，滴加过程中保持冰水浴冷却；滴加完后，继续反应时间1-8小时，进行Sb2S3的化学浴沉积，沉积完后，取出FTO导电玻璃,经淋洗和干燥后，在惰性气体保护下于250-450℃下热处理10-90分钟，从而在FTO层上制得由Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜；
（3）、使用浓度为3-10mg/mL的MEH-PPV溶液，于室温下将MEH-PPV沉积到步骤（2）所得的Sb2S3材料层和TiO2纳米棒阵列组成的体异质结复合膜上，并在惰性气体保护下于120-180℃热处理5-30分钟，从而在体异质结复合膜上形成MEH-PPV膜层；
（4）、在步骤（3）所得的MEH-PPV膜层上旋涂一层体积比为1:0.5-1.5的PEDOT:PSS和异丙醇组成的混合液，在惰性气体保护下于80-120℃下热处理5-30分钟，从而在MEH-PPV膜层上形成PEDOT:PSS层作为空穴传输层，在PEDOT:PSS层上通过热蒸发方法蒸镀Au膜,得到基于无机体异质结的太阳电池；
（5）、将步骤（4）制得的太阳电池在惰性气体保护下进行封装获得太阳电池产品。
6.根据权利要求5所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的钛酸丁酯用钛酸异丙酯代替。
7.根据权利要求5所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）所述的MEH-PPV溶液的溶剂为氯苯，或者是四氢呋喃，或者是氯仿，或者是苯。
8.根据权利要求5所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，采用旋涂法，或者是丝网印刷法，或者是刮片法，或者是喷墨打印法将MEH-PPV膜层于室温下沉积到步骤（2）所得的体异质结复合膜上。
9.根据权利要求5所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（4）旋涂操作，用丝网印刷法或刮片法或喷墨打印法代替。
10.根据权利要求5所述的基于无机体异质结的太阳电池的制备方法，其特征在于：步骤（2）、（3）、（4）、（5）所述的惰性气体为氮气。
CN201310263345.1A 2013-06-27 2013-06-27 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法 Expired - Fee Related CN103367512B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310263345.1A CN103367512B (zh) 2013-06-27 2013-06-27 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310263345.1A CN103367512B (zh) 2013-06-27 2013-06-27 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103367512A CN103367512A (zh) 2013-10-23
CN103367512B true CN103367512B (zh) 2015-12-23

Family

ID=49368459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310263345.1A Expired - Fee Related CN103367512B (zh) 2013-06-27 2013-06-27 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103367512B (zh)

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105244445B (zh) * 2015-11-17 2018-08-03 青岛大学 一种杂化异质结太阳能电池的制备方法
CN105810772B (zh) * 2016-05-30 2017-07-14 中南大学 一种硫化锑/硅叠层太阳电池及其制备方法
CN107093641A (zh) * 2017-04-26 2017-08-25 中国科学院合肥物质科学研究院 一种基于无机平板异质结的薄膜太阳电池及其制备方法
CN107302057A (zh) * 2017-07-13 2017-10-27 福州大学 基于三硫化二锑致密薄膜的平面结构杂化太阳能电池
CN107910393A (zh) * 2017-10-23 2018-04-13 电子科技大学 一种纳米线异质结太阳能电池及其制备方法
CN107863401B (zh) * 2017-10-24 2019-09-24 三峡大学 一种硫化锑基全无机薄膜太阳能电池的制备方法
CN107819044B (zh) * 2017-10-24 2019-08-23 三峡大学 一种硫化锑基光电探测器的制备方法
IL280849B2 (en) * 2018-09-21 2024-08-01 Ambient Photonics Inc Color-sensing photovoltaic cells
CN109860317B (zh) * 2018-12-19 2020-12-18 湖州师范学院 一种碳对电极硫化锑薄膜太阳电池及其制备方法
CN110854277B (zh) * 2019-10-18 2020-12-08 西北工业大学 一种表面钝化制备硫化锑基薄膜太阳能电池的方法
CN111211194B (zh) * 2020-01-06 2021-12-03 河南大学 一种mis-硅异质结太阳电池及其制备方法
CN111893512B (zh) * 2020-08-10 2021-08-06 浙江大学 一种硫化锑基异质结光阴极及其制备方法和用途
CN113707743A (zh) * 2021-08-31 2021-11-26 昆山倩超亮光伏科技有限公司 一种微纳异质结高效无机薄膜太阳电池及其制备方法
CN114597272B (zh) * 2022-03-09 2024-02-09 陈王伟 Sb2(S,Se)3基体型异质结薄膜、太阳能电池及其电池制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102842676A (zh) * 2012-06-25 2012-12-26 中国科学院等离子体物理研究所 一种基于TiO2-CuInS2核壳纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130023608A (ko) * 2011-08-29 2013-03-08 한국과학기술연구원 벌크 헤테로 접합 무기 박막 태양전지 및 이의 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102842676A (zh) * 2012-06-25 2012-12-26 中国科学院等离子体物理研究所 一种基于TiO2-CuInS2核壳纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Electrochemically Deposited Cu2O on TiO2 Nanorod Arrays for Photovoltaic Application;Yeping Luo et al;《Electrochemical and Solid-State Letters》;20121214;第15卷(第2期);全文 *
Enhanced performance by incorporation of zinc oxide nanowire array for organic-inorganic hybrid solar cells;C.P.Liu et al;《APPLIED PHYSICS LETTERS》;20120612;第100卷(第24期);第243102-0至243102-3页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN103367512A (zh) 2013-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103367512B (zh) 一种基于无机体异质结的太阳电池及其制备方法
Yu et al. A high-performance self-powered broadband photodetector based on a CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite/ZnO nanorod array heterostructure
CN102646745B (zh) 一种光伏器件及太阳能电池
Akram et al. Arrays of CZTS sensitized ZnO/ZnS and ZnO/ZnSe core/shell nanorods for liquid junction nanowire solar cells
US10535788B2 (en) Semiconductor film and semiconductor element
CN102412369B (zh) 一种有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
Prakash Review on nanostructured semiconductors for dye sensitized solar cells
CN102842676B (zh) 一种基于TiO2-CuInS2核壳纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN105047826B (zh) 一种在钙钛矿层中掺入硫化镉的钙钛矿太阳能电池及其制备方法
CN102544378B (zh) 一种基于ZnO同质核壳结构纳米棒阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
CN107093641A (zh) 一种基于无机平板异质结的薄膜太阳电池及其制备方法
CN104795456B (zh) 电沉积法制备三带隙铁掺杂铜镓硫太阳能电池材料的方法
Ou et al. Boosting the stability and efficiency of Cs2AgBiBr6 perovskite solar cells via Zn doping
Zhu et al. Effect of CdSe quantum dots on the performance of hybrid solar cells based on ZnO nanorod arrays
CN110844936A (zh) 一种三硫化二锑纳米棒阵列的制备方法及基于其的太阳电池
CN103137868B (zh) 一种基于三元纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
Zhao et al. A sintering-free, nanocrystalline tin oxide electron selective layer for organometal perovskite solar cells
CN107732014B (zh) 一种基于三元无机体型异质结薄膜的太阳电池及其制备方法
Molaei et al. Extended photocurrent performance of antimony trisulfide/reduced graphene oxide composite prepared via a facile hot-injection route
CN103000709A (zh) 背电极、背电极吸收层复合结构及太阳能电池
CN104465810A (zh) 具有上转换层的铜锌锡硫硒类薄膜太阳能电池及其制备方法
CN103151462A (zh) 一种基于TiO2同质核壳纳米阵列的有机/无机杂化太阳电池及其制备方法
Chen et al. ZnO hemisphere pits nanowire/CdS photoelectrode for high-efficiency photoelectrochemical water splitting
CN105552230A (zh) 基于钙钛矿单晶衬底的太阳电池
CN103904217A (zh) 一种多元有机/无机杂化太阳电池及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CP02 Change in the address of a patent holder

Address after: 230001 no.181 Gucheng Road, shiyangang Township, Hefei City, Anhui Province

Patentee after: INSTITUTE OF PLASMA PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

Address before: 230031 Shushan Lake Road, Shushan District, Anhui, China, No. 350, No.

Patentee before: INSTITUTE OF PLASMA PHYSICS, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES

CP02 Change in the address of a patent holder
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20151223

Termination date: 20210627

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee