CN104124066B - 全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1、在导电衬底（1）上制备水溶性氧化物多孔膜（2）；2、在氧化物多孔膜（2）上用水性溶液原位沉积法制得量子点敏化剂（3）；3、将亲水性共轭聚合物固态电解质（4）制备在水溶性氧化物多孔膜（2）表面和灌注在氧化物多孔膜（2）内；4、在固态电解质（4）的表面制作金属阴极（5）；5、用热封装胶粘接氧化物阳极和金属阴极（5）,使其形成对电极，通过外回路（6）相连接。本发明采用水溶性共轭聚合物为固态电解质，氧化物多孔膜和纳米粒子量子点敏化剂均是亲水性的，避免了有机溶剂给环境带来的负面影响，具有提高太阳电池的光电转换效率、环境友好的特点。

Description

全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法，属太阳电池结构设计应用技术领域。
背景技术：
量子点敏化太阳电池（QDSSC）因其成本低廉和制备工艺简单的特点而受到科技界的密切关注。量子点的尺寸效应，使人们可以通过对其晶粒尺寸的控制来调节太阳电池的光谱响应范围，量子点的碰撞电离效应能使一个高能量的光子激发出两个甚至多个热电子，得到高于100%的量子产率。
电解质是影响量子点敏化太阳电池光电转换效率和稳定性的重要因素之一。目前通常使用的电解质为无机半导体电解质材料，其不足之处在于易挥发且有较高的毒性，使用聚合物作为电解质的固态染料敏化太阳电池可避免使用无机半导体电解质带来的一些问题，且具有制备简单、价格低廉、柔性、易于处理等优势，一直以来都是研究的热点。共轭聚合物由于其低成本、可进行溶液处理、可制备大面积器件等特点，在太阳电池等光电器件方面的应用倍受人们的关注。
共轭聚合物如聚对苯乙炔(PPV)及其衍生物、聚噻吩(PT)及其衍生物(P3HT和P3OT)等，在有机太阳电池领域已得到广泛的研究和应用。但目前采用的溶剂一般为有机溶剂，如甲苯、二甲苯、氯苯、氯仿、四氢呋喃等，这些有机溶剂的使用则会产生相应的环境污染，从而违背了开发太阳电池这一“清洁能源”原始初衷。
一般共轭聚合物为疏水性的材料，其被用作固态量子点敏化太阳电池的电解质并渗入亲水性的量子点敏化的多孔TiO2薄膜时，与薄膜的界面不匹配，不利于电子的传输，从而影响了电池光电转换效率的提高。
发明内容：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法，采用水溶性共轭聚合物为固态电解质，氧化物多孔膜和纳米粒子量子点敏化剂均是亲水性的，避免了有机溶剂给环境带来的负面影响，具有提高太阳电池的光电转换效率、环境友好的特点。
本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的。
本发明所提供的全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法，包括如下步骤：
1、在导电衬底上制备水溶性氧化物多孔膜，孔径为10nm－500nm，制得氧化物阳极；
2、在水溶性氧化物多孔膜上用水性溶液原位沉积法制得量子点敏化剂；
3、将亲水性共轭聚合物固态电解质通过旋转涂布法制备在水溶性氧化物多孔膜表面，其中部分共轭聚合物固态电解质灌注在水溶性氧化物多孔膜内；
4、在聚合物固态电解质的表面以溅射法、蒸镀法或沉积法制作金属阴极；
5、用厚度为60μm的热封装胶粘接氧化物阳极和金属阴极,使其形成对电极，通过外回路相连接。
所述的导电衬底为氟锡氧化物FTO导电玻璃；
所述的水溶性氧化物多孔膜，其氧化物的种类为氧化钛、氧化锌或者氧化锡；其多孔膜的结构为：由纳米颗粒堆积而成的纳米多孔结构或模板法得到的三维反蛋白石结构；
所述的量子点敏化剂为由水性溶液的原位沉积法制备的纳米粒子材料，为Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硫化镉、硒化镉、碲化镉；或为Ⅳ-Ⅵ族化合物，如硫化铅、硒化铅；或为Ⅲ-Ⅴ族化合物，如磷化铟的纳米粒子；
所述的聚合物固态电解质为水溶性共轭聚合物，为聚芴类、聚噻吩类、聚吡咯类、聚苯胺类、聚咔唑类导电聚合物；其水溶性共轭聚合物为含有极性基团-SO3H、-OH、-NH2、-NHR、-COOH的共轭聚合物；
所述的金属阴极的金属种类为金或铂。
本发明与现有的技术相比具有如下有益效果：
1、本发明所述的太阳电池的制备中，固态电解质为水溶性共轭聚合物，由水性溶剂取代了有机溶剂的使用，避免了有机溶剂给环境带来的负面影响，具有环境友好的特点。
2、本发明相对于传统的电池，由于其氧化物多孔膜和纳米粒子敏化剂均是亲水性的，更容易灌注水溶性的空穴传导材料，并且与空穴传导材料—水溶性共轭聚合物之间的界面更加匹配，接触更佳，从而有利于提高太阳电池的光电转换效率。
3、由于溶剂的蒸发速率对薄膜的形态及器件的性能的影响较大，本发明采用水性溶剂，则更容易通过加热的方式对此进行调控。
附图说明：
图1为本发明的总体结构示意图。
在图中：1.导电衬底、2.氧化物多孔膜、3.量子点敏化剂、4.固态电解质、5.金属阴极、6.外回路。
具体实施方式：
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
1、以30μl的Ti(OPr)4分散在10ml的乙醇中，配制成钛的前驱体溶液，并旋转涂布于经超声清洗过的导电衬底FTO导电玻璃1表面，然后将P25TiO2粉末与100μl的Triton X-100、200μl的乙酰丙酮、10g去离子水配制成TiO2胶体溶液，经磁力搅拌及超声振荡混合均匀后，将TiO2胶体溶液旋转涂布于导电衬底FTO导电玻璃1的表面，随后将其置于50℃的烘箱中干燥；干燥后再旋转涂布TiO2胶体溶液，多次重复后制备成氧化物TiO2多孔膜2，之后将其放入马弗炉中至450℃处理30分钟，制成氧化物TiO2多孔膜阳极。
2、将经步骤1制得的氧化物TiO2多孔膜阳极浸在0.1M的CdSO4液1分钟，取出以乙醇冲洗其表面；再将其浸在0.1M的Na2S溶液中1分钟，取出后用甲醇溶剂冲洗其表面；以上两次浸泡过程为一次循环，经6－10次循环后，在氧化物TiO2多孔膜2上制得CdS量子点敏化剂3，随后将其置于空气中至干燥。
3、用旋转涂覆法，将水溶性固态电解质4P3HT溶液涂布在氧化物TiO2多孔膜2的表面，部分P3HT溶液灌注在氧化物TiO2多孔膜2内，形成固态电解质4层。
4、在水溶性P3HT固态电解质4的表面以溅射的方式镀上厚度为100nm的Pt，制成金属阴极5。
5、用厚度为60μm的热封装胶粘接氧化物TiO2多孔膜阳极和金属阴极5，使其形成对电极，通过外回路6相连接。
上述的有效面积为0.25cm2的电池在辐射照度为100mW/cm2模拟太阳光下测得的光电转换效率为0.89%。
实施例2
1、将稀释至0.1w t%的350nm单分散的聚苯乙烯小球溶液与0.003w t%的表面活性剂Igepal CO-520混合并超声30分钟，然后将经超声清洗过的导电衬底FTO导电玻璃1垂直放入该溶液，后置于55℃的恒温箱中直至溶液全部蒸发。在1.2%(w/v)的钛酸异丙酯的乙醇溶液中加入0.12%(w/v)硝酸,将导电衬底FTO导电玻璃1垂直放入该溶液中常温放置5分钟，在表面生长一层二氧化钛。取出FTO导电玻璃1,在空气中干燥20分钟。在51℃混合0.20mol/L六氟钛酸铵和0.25mo l/L硼酸水溶液,用1mol/L的盐酸调节pH至2.9，将FTO导电玻璃1垂直浸入该溶液30分钟，然后取出并用去离子水清洗,置于空气中常温干燥，之后将其放入马弗炉中梯度升温至400℃加热8小时，制得反蛋白石结构氧化物TiO2多孔膜阳极。
2、用0.2M Se粉在0.5M Na2SO3水溶液中70°C回流约5小时制备Na2SeSO3的水溶液，然后将80mM CdSO4和160mM氮川三乙酸三钠(Na3NTA)与80mM Na2SeSO3溶液混合，将氧化物TiO2多孔膜阳极浸入该溶液并在室温及黑暗条件下保持4-6小时，在氧化物TiO2多孔膜2上制得CdSe量子点敏化剂3。
3、用旋转涂覆法，将水溶性固态电解质4聚[5-甲氧基-2-(3-磺丙氧基)-1,4-苯乙炔]钾盐溶液（MPS-PPV）涂布在反蛋白石结构氧化物TiO2多孔膜2的表面，部分MPS-PPV灌注在氧化物TiO2多孔膜2内，形成固态电解质4层。
4、在水溶性固态电解质4MPS-PPV的表面以溅射的方式镀上厚度为100nm的Au,制成金属阴极5。
5、用厚度为60μm的热封装胶粘接氧化物TiO2多孔膜阳极和金属阴极5，使其形成对电极，通过外回路6相连接。
上述的有效面积为0.25cm2的电池在辐射照度为100mW/cm2模拟太阳光下测得的光电转换效率为0.64%。

Claims (1)

1.一种全水溶性溶剂处理的量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、在导电衬底(1)上制备水溶性氧化物多孔膜(2)，孔径为10nm－500nm，制得氧化物阳极，其多孔膜(2)的结构为：由纳米颗粒堆积而成的纳米多孔结构或模板法得到的三维反蛋白石结构；
(2)、在水溶性氧化物多孔膜(2)上用水性溶液原位沉积法制得量子点敏化剂(3)；
(3)、将亲水性共轭聚合物固态电解质(4)通过旋转涂布法制备在水溶性氧化物多孔膜(2)表面，其中部分共轭聚合物固态电解质(4)灌注在溶性氧化物多孔膜(2)内；
(4)、在聚合物固态电解质(4)的表面以溅射法、蒸镀法或沉积法制作金属阴极(5)；
(5)、用厚度为60μm的热封装胶粘接氧化物阳极和金属阴极(5),使其形成对电极，通过外回路(6)相连接；
所述的导电衬底(1)为氟锡氧化物FTO导电玻璃；
所述的水溶性氧化物多孔膜(2)，其氧化物的种类为氧化钛、氧化锌或者氧化锡；
所述的量子点敏化剂(3)为由水性溶液的原位沉积法制备的纳米粒子材料，为Ⅱ-Ⅵ族化合物，如硫化镉、硒化镉、碲化镉；或为Ⅳ-Ⅵ族化合物，如硫化铅、硒化铅；或为Ⅲ-Ⅴ族化合物，如磷化铟的纳米粒子；
所述的聚合物固态电解质(4)为亲水性共轭聚合物，为聚芴类、聚噻吩类、聚吡咯类、聚苯胺类、聚咔唑类导电聚合物；其水溶性共轭聚合物为含有极性基团-SO3H、-OH、-NH2、-NHR、-COOH的共轭聚合物；
所述的金属阴极(5)的金属种类为金或铂。
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