CN103618047A - 一种环保无重金属量子点太阳能电池及其制作方法 - Google Patents

一种环保无重金属量子点太阳能电池及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种环保无重金属量子点太阳能电池及其制作方法，属于新能源先进制造技术领域。该电池主要由基底、正极、空穴收集层、光敏层、收集层和负极组成，所述正极为ITO电极，将其沉积在基板上，ITO电极和基板能使太阳光透过，所述空穴收集层为具有极强导电性能的PEDOT:PSS层，将其旋涂在ITO电极上，所述光敏层为位于PEDOT:PSS层之上的CuInS2/ZnS QDs层，所述收集层为在CuInS2/ZnS QDs层上旋涂的ZnO纳米薄膜层，所述负极为在ZnO纳米薄膜层上蒸镀的Al电极。这种结构的太阳能电池保持了量子点太阳能电池的高效、柔性和工艺简单的特点，同时不含重金属，符合环保要求。

Description

一种环保无重金属量子点太阳能电池及其制作方法
技术领域
本发明属于新能源先进制造技术领域，涉及一种新型环保无重金属量子点太阳能电池结构及其制作方法，这种太阳能电池采用无重金属CuInS2/ZnS核壳量子点（CuInS2/ZnS QDs）材料，不含有毒重金属，符合绿色环保要求。
背景技术
采用具有量子限制效应和分立光谱特性的量子点制作太阳能电池，能够使得太阳能电池能量转化效率大大提高。相比其他结构太阳能电池来说，量子点太阳电池具有效率高、低成本、柔韧性好的特点。
可见，胶质量子点太阳电池具有良好的发展前景。但是，目前所采用的胶质量子点太阳电池的光电转换材料主要是含有毒重金属阳离子（比如Cd、Pb等）材料，毒性高，不符合“绿色”环保的要求。铜铟硫（CuInS2）这种量子点材料的带隙能在太阳能电池光谱的红光边缘，是有着高的光学吸收系数的宽禁带半导体材料，其量子点尺寸也可以通过控制OLA/金属的比率来控制。还有一个重要特性就是铜铟硫（CuInS2）这种量子点材料不含重金属，采用这种材料作为制作太阳能电池光敏层的材料，不仅能够保持胶质量子点太阳能电池的高效特性，同时“绿色”环保。为了提高铜铟硫（CuInS2）胶质量子点的稳定性和进一步的改善其光电转换效率，可以在铜铟硫（CuInS2）胶质量子点上包裹有硫化锌（ZnS）核壳，制作出CuInS2/ZnS核壳量子点（CuInS2/ZnS QDs）材料。
在国内，有采用铜铟硫（CuInS2）薄膜制作太阳能电池的报道，这种薄膜主要采取反应溅射、有机金属化学气相沉积、硫化法、电化学沉积法、真空蒸发法、化学水浴法、喷雾热解法、离子层气相反应等方法制备。采用这种铜铟硫（CuInS2）薄膜也制作生产了薄膜柔性太阳能电池，取得了显著的效果。但是，这种铜铟硫（CuInS2）薄膜和铜铟硫（CuInS2）胶质量子点有着根本的区别，一般来说，铜铟硫（CuInS2）薄膜是面材料吸收，铜铟硫（CuInS2）胶质量子点是体材料的吸收，这样采用铜铟硫（CuInS2）胶质量子点制作的太阳能电池能够大大提高光电转换效率，是一种环保的量子点太阳能电池。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种新型环保无重金属量子点太阳能电池及其制作方法，其主要特点是采用了铜铟硫（CuInS2）胶质量子点作为太阳能电池的光敏层，为了提高稳定性和光电转换效率在这种胶质量子点上包裹有硫化锌（ZnS）核壳，形成了CuInS2/ZnS核壳量子点（CuInS2/ZnS QDs）材料。这种结构的太阳能电池保持了量子点太阳能电池的高效、柔性和工艺简单的特点，同时不含重金属，符合环保要求。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：
一种环保无重金属量子点太阳能电池，主要由基底、正极、空穴收集层、光敏层、收集层和负极组成，所述正极为ITO电极2，将其沉积在基板1上，纳米铟锡金属氧化物（IndiumTin Oxides，缩写ITO电极2和基板1能使太阳光透过，所述空穴收集层为具有极强导电性能的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)
Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)缩写PEDOT:PSS）层3，将其旋涂在ITO电极2上，所述光敏层为位于PEDOT:PSS层3之上的CuInS2/ZnS QDs层4，所述收集层为在CuInS2/ZnS QDs层4上旋涂的ZnO纳米薄膜层5，所述负极为在ZnO纳米薄膜层5上蒸镀的Al电极6。
一种如以上所述的环保无重金属量子点太阳能电池的制作方法：
首先，将带有ITO电极2的基板1用超声净洗，在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理；
其次，通过旋涂方法将PEDOT:PSS层3旋涂在ITO电极2上，旋涂厚度为30nm，接着在N2环境下150℃退火10分钟；
第三，在PEDOT:PSS层3上，旋涂CuInS2/ZnS QDs层4，在旋涂过程中以120℃进行退火，以去除溶液中的溶剂；
第四，在CuInS2/ZnS QDs层4上旋涂ZnO纳米薄膜层5：使用匀胶机在CuInS2/ZnS QDs层4上旋涂25nm ZnO纳米薄膜层5，在80℃的烤盘上退火30分钟；
最后，采用热蒸镀的方法在ZnO纳米薄膜层5上形成150nm的Al电极6，这样就完成了环保无重金属量子点太阳能电池的制作。
所述CuInS2/ZnS QDs的合成方法，是用4mL的1-十八烯（octadecene缩写ODE）稀释1mL的铜铟硫（CuInS2）胶质量子点溶液，并且脱气三次，将0.4mmol的硬脂酸锌和0.4mmol的硫溶解到三基辛溶液中，在210摄氏度下将4mL的ODE逐滴加入反应溶液中，整个加入过程超过20分钟。
首先，所述铜铟硫（CuInS2）的合成方法，是在空气中将0.26gCu(acac)2和0.41g In(acac)3添加到装有7mL的3,3,-二氯联苯胺（3,3,-dichlorobenzidine缩写DCB）的量程为25mL的三口烧瓶中，在另一个量程为25mL的三口烧瓶中将0.064g的硫溶解到3mL DCB中。
其次，将两个烧瓶连接到Schlenk line玻璃管，在室温下用30分钟抽取真空，以排除氧气和水分。
第三，接着在60摄氏度下通入30分钟的N2，将0.5mL至2mL的OLA添加到(Cu，In)-DCB混合液。
最后，同时将两个烧瓶加热到110摄氏度后混合，在操作期间要保持一直通有N2气体，反应1小时以后，冷却至室温，用过量的乙醇对量子点进行提纯。
所述ZnO纳米薄膜层5的ZnO纳米晶通过以下方式制作，将30mL0.08mol/L的无水醋酸锌/乙醇溶液加热至沸腾，保持20分钟，然后把溶液降温至室温，注入10mL0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室温下生长约12小时，经提纯后，得到ZnO纳米晶，并分散在乙醇中。
所述步骤一中的超声净洗包括：分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟。
采用这种结构和材料胶质ZCIS/ZnS QD太阳电池。主要技术指标可以实现：填充因子达到：0.45；开路电压达到Vco≥0.5V；短路电流达到Jsc≥10mA·cm-2；在100mW/cm2AM1.5照明条件下，功率转换效率（PCE）可以达到3.5%。
本发明的有益效果：设计制作了一种无重金材料、环保的胶质量子点新型太阳能电池，这种太阳能电池的最大特性就是保持了量子点太阳能电池高光电转换效率、柔性、制作工艺简单的特点，同时对环境的伤害小，利于环保。
附图说明
图1太阳电池总体结构图。
图2太阳电池能级关系图。
图3在基板上旋涂ITO电极示意图。
图4在ITO电极上旋涂PEDOT:PSS层示意图。
图5在PEDOT:PSS层上旋涂CuInS2/ZnS QDs层示意图。
图6在ZnO纳米薄膜层上涂覆在CuInS2/ZnS QDs层示意图。
图7热蒸镀制作Al电极示意图。
1-基板，2-ITO电极，3-PEDOT:PSS层，4-CuInS2/ZnS QDs层，5-ZnO纳米薄膜层，6-Al电极。
具体实施方式
为了完成以上的发明内容，以下仅为本发明的较佳实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，不能以此限定本发明的范围。即但凡依本发明申请的专利范围所做的均等变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围。下面用实施例来具体说明本发明的结构和制作方法。
参阅图1，所述的环保无重金属量子点太阳能电池主要由基底1、ITO电极2、PEDOT:PSS层3、CuInS2/ZnS QDs层4、ZnO纳米薄膜层5及Al电极6组成。ITO电极2被沉积在基板1上，由于ITO电极2具有透明的特性，太阳光能够透过基板1和ITO电极2，在这里ITO电极2作为太阳能电池的正极。PEDOT:PSS层3作为空穴收集层具有极其的导电性能，将其旋涂在ITO电极2上，能够改善ITO电极2的导电性能，同时其可以增加开路电压和短路电流，提高太阳能电池的光电转换效率。CuInS2/ZnS QDs层4位于PEDOT:PSS层3上，作为太阳能电池的光敏层。在CuInS2/ZnS QDs层4上旋涂有ZnO纳米薄膜层5作为太阳能电池的电子的收集层。将ZnO纳米薄膜层5上蒸镀Al电极6作为太阳能电池的负极。
图2所述的是组成新型无重金属环保量子点材料太阳能电池材料的能级图。参阅图2，ITO代表ITO电极2的能级，PEDOT代表PEDOT:PSS层3的能级，QDs代表CuInS2/ZnS QDs层4的能级，ZnO代表ZnO纳米薄膜层5的能级，Al代表Al电极6的能级。可见，构成新型无重金属环保量子点材料太阳能电池的材料能级匹配合理。在有光照的条件下，CuInS2/ZnS QDs层4的电子经ZnO纳米薄膜层5，到达Al电极6形成太阳能电池的负极；空穴被转移至PEDOT:PSS层3，使得ITO电极2作为太阳能电池的正极，这样就在太阳能电池的Al电极6和ITO电极2间形成电势差，也就是太阳能电池的输出电压。
实施例：
首先，根据图3所述，将带有ITO电极2的基板1用超声净洗，分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟。在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理。
其次，通过旋涂方法将PEDOT:PSS层3旋涂在ITO电极2上，旋涂厚度大约是30nm，接着在N2环境下150℃退火10分钟，参阅图4所示。
第三，在PEDOT:PSS层3上，旋涂CuInS2/ZnS QDs层4，参阅图5。在旋涂CuInS2/ZnSQDs层4时都要有一个在120℃下退火的步骤，这样可以去除溶液中的溶剂。
其中，铜铟硫（CuInS2）胶质量子点和CuInS2/ZnS QDs合成方法如下：
铜铟硫（CuInS2）胶质量子点的合成是在空气中，将0.26gCu(acac)2和0.41g In(acac)3添加到装有7mLDCB的量程为25mL的三口烧瓶中，在另一个量程为25mL的三口烧瓶中将0.064g的硫溶解到3mL DCB中。将两个烧饼连接到Schlenk line玻璃管，进行在室温下30分钟的抽取真空操作，以排除氧气和水分，接着在60摄氏度下通入30分钟的N2。将0.5mL至2mL的OLA添加到(Cu，In)-DCB混合液，同时将两个烧瓶加热到110摄氏度后混合，在操作期间要保持一直通有N2气体。反应1h以后，冷却至室温，用过量的乙醇对量子点进行提纯。
CuInS2/ZnS QDs的合成是用4mL的1-十八烯（ODE）稀释1mL的铜铟硫（CuInS2）胶质量子点溶液，并且脱气三次。将0.4mmol的硬脂酸锌和0.4mmol的硫溶解到三基辛溶液中，在210摄氏度下，将4mL的ODE逐滴加入反应溶液中，整个加入过程超过20分钟。
第四，将30mL0.08mol/L的无水醋酸锌/乙醇溶液加热至沸腾，保持20分钟，然后把溶液降温至室温，注入10mL0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室温下生长约12小时。经提纯后，得到ZnO纳米晶，并分散在乙醇中。使用匀胶机在CuInS2/ZnS QDs层4上旋涂25nm ZnO纳米薄膜层5，在80℃的烤盘上，退火30分钟。这样就完成了在CuInS2/ZnS QDs层4上旋涂ZnO纳米薄膜层5，其结构参阅图6。
最后，采用热蒸镀的方法在ZnO纳米薄膜层5上形成150nm的Al电极6，其结构参阅图7。
这样就完成了环保无重金属量子点太阳能电池的制作。

Claims (6)

1.一种环保无重金属量子点太阳能电池，主要由基底、正极、空穴收集层、光敏层、收集层和负极组成，其特征在于：所述正极为ITO电极（2），将其沉积在基板（1）上，ITO）电极（2）和基板（1）能使太阳光透过，所述空穴收集层为具有极强导电性能的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)
（Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate)缩写PEDOT:PSS）层（3），将其旋涂在ITO电极（2）上，所述光敏层为位于PEDOT:PSS层（3）之上的CuInS2/ZnS QDs层（4），所述收集层为在CuInS2/ZnS QDs层（4）上旋涂的ZnO纳米薄膜层（5），所述负极为在ZnO纳米薄膜层（5）上蒸镀的Al电极（6）。
2.一种如权利要求1所述的环保无重金属量子点太阳能电池的制作方法，其特征在于：
首先，将带有ITO电极（2）的基板（1）用超声净洗，在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理；
其次，通过旋涂方法将PEDOT:PSS层（3）旋涂在ITO电极（2）上，旋涂厚度为30nm，接着在N2环境下150℃退火10分钟；
第三，在PEDOT:PSS层（3）上，旋涂CuInS2/ZnS QDs层（4），在旋涂过程中以120℃进行退火，以去除溶液中的溶剂；
第四，在CuInS2/ZnS QDs层（4）上旋涂ZnO纳米薄膜层（5）：使用匀胶机在CuInS2/ZnSQDs层（4）上旋涂25nm ZnO纳米薄膜层（5），在80℃的烤盘上退火30分钟；
最后，采用热蒸镀的方法在ZnO纳米薄膜层（5）上形成150nm的Al电极（6），这样就完成了环保无重金属量子点太阳能电池的制作。
3.如权利要求2所述的一种环保无重金属量子点太阳能电池的制作方法，其特征在于：
所述CuInS2/ZnS QDs的合成方法，是用4mL的1-十八烯（octadecene缩写ODE）稀释1mL的铜铟硫（CuInS2）胶质量子点溶液，并且脱气三次，将0.4mmol的硬脂酸锌和0.4mmol的硫溶解到三基辛溶液中，在210摄氏度下将4mL的ODE逐滴加入反应溶液中，整个加入过程超过20分钟。
4.如权利要求2所述的一种环保无重金属量子点太阳能电池的制作方法，其特征在于：
首先，所述铜铟硫（CuInS2）的合成方法，是在空气中将0.26gCu(acac)2和0.41g In(acac)3添加到装有7mL的3,3,-二氯联苯胺（3,3,-dichlorobenzidine缩写DCB）的量程为25mL的三口烧瓶中，在另一个量程为25mL的三口烧瓶中将0.064g的硫溶解到3mL DCB中。
其次，将两个烧瓶连接到Schlenk line玻璃管，在室温下用30分钟抽取真空，以排除氧气和水分。
第三，接着在60摄氏度下通入30分钟的N2，将0.5mL至2mL的OLA添加到(Cu，In)-DCB混合液。
最后，同时将两个烧瓶加热到110摄氏度后混合，在操作期间要保持一直通有N2气体，反应1小时以后，冷却至室温，用过量的乙醇对量子点进行提纯。
5.如权利要求2所述的一种环保无重金属量子点太阳能电池的制作方法，其特征在于：
所述ZnO纳米薄膜层（5）的ZnO纳米晶通过以下方式制作，将30mL0.08mol/L的无水醋酸锌/乙醇溶液加热至沸腾，保持20分钟，然后把溶液降温至室温，注入10mL0.5mol/LNaOH/乙醇溶液，在室温下生长约12小时，经提纯后，得到ZnO纳米晶，并分散在乙醇中。
6.如权利要求2所述的一种环保无重金属量子点太阳能电池的制作方法，其特征在于：
所述步骤一中的超声净洗包括：分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟。
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