CN104409640A - 宽光谱太阳能电池材料及其制备方法 - Google Patents

宽光谱太阳能电池材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽光谱太阳能电池材料及其制备方法，组分及各组分质量份数如下：石墨10~20份，碳化硅2~5份，氮化硅3~8份，氧化铒0.8~1.5份，量子点2~8份，环戊烯并二噻吩20~30份，苯并噻二唑10~15份，1,8-辛二硫醇2~5份，三碱式硫酸铅0.15~0.55份，自由基捕获剂1.5~8.5份，热稳定剂1~5份，紫外线吸收剂3~10份。还包括炭黑1~3份。该宽光谱太阳能电池材料具有良好的电子堆积性能，较高的载流子迁移率，在150~4000nm范围内均有吸收峰，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，具有广阔的应用前景。

Description

宽光谱太阳能电池材料及其制备方法
技术领域
    本发明属于太阳能电池材料技术领域，具体涉及一种宽光谱太阳能电池材料及其制备方法。
背景技术
短缺的能源已严重影响人们的生活和制约社会的发展。丰富的太阳能是重要的清洁能源,是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。第一次石油危机之后,各国竞相开展太阳能、水能、风能等清洁和可再生能源的应用研究,尤其是太阳能的应用研究最为广泛。
太阳能作为一种绿色能源对环境没有任何无污染性,而且它的来源简单,可以说是在人类的生存年限内其是取之不尽用之不竭的。太阳能不仅是一次性能源,还是清洁能源,它资源丰富、普遍存在、无需运输、还可免费使用、最重要的是对环境没有任何污染。太阳能电池也因太阳能的特殊性具有许多其他发电方式所不具备的优点:不受地域限制、不消耗燃料、规模可大可小、灵活性大、无污染、无噪音、安全可靠、建设周期短、维护简单、最具有大规模应用的可能性。所以很多专家把太阳能能源作为可替代的能源去开发,希望太阳能够造福于人类。现如今所使用的太阳能有很大一部分是由太阳电池转换得来的。因为太阳能电池对光有感应,能够把照射在其表面的光能转换为电能。目前,在有关专家的努力下,太阳能电池己经走向了商业化和产业化。
太阳能电池最核心的部分是由半导体构成的p-n结。太阳光照在半导体p-n结上，形成空穴-电子对，在p-n结内电场的作用下，空穴由p区流向n区，电子由n区流向p区，接通电路后就形成电流。由于半导体都有一定的带宽，太阳能电池只能将接近半导体带宽、能量为hv的光子有效地转化为电能。能量小于带宽的光子无法被电池吸收，而能量大于带宽的光子则只有一部分能量被电池利用，超出带宽的部分通过电子-声子等相互作用转化为热能从而导致能量损失。太阳辐射光谱的99%以上在波长150~4000nm，其中大约50%的太阳光为可见光，其余的为紫外光或红外光。由于所使用的半导体材料差异，不同太阳能电池的外部量子效率明显不一样。但是对于固定的半导体材料，太阳能电池都只对特定波段的太阳光进行有效利用。目前即使是光谱响应范围较宽的单结硅基太阳能电池也只能利用可见光区的能量，因此如何有效利用太阳光中包括紫外和红外波段在内的宽光谱能量是目前太阳能电池研究中一个重要的课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽光谱太阳能电池材料及其制备方法，具有良好的电子堆积性能，较高的载流子迁移率，在150~4000nm范围内均有吸收峰，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，具有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用的技术手段为：
    一种宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 10~20份，碳化硅 2~5份，氮化硅 3~8份，氧化铒 0.8~1.5份，量子点2~8份，环戊烯并二噻吩 20~30份，苯并噻二唑 10~15份，1,8-辛二硫醇 2~5份，三碱式硫酸铅0.15~0.55份，自由基捕获剂1.5~8.5份，热稳定剂 1~5份，紫外线吸收剂 3~10份。
    所述热稳定剂为二月桂酸二丁基锡或者月桂酸马来酸二丁基锡。
    所述紫外线吸收剂为水杨酸苯酯。
    所述碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
    所述自由基捕获剂为癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）。
    还包括炭黑1~3份。
    宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 12~18份，碳化硅 3~4份，氮化硅 4~6份，氧化铒 1~1.3份，量子点4~6份，环戊烯并二噻吩 24~28份，苯并噻二唑 12~14份，1,8-辛二硫醇 3~4份，三碱式硫酸铅0.25~0.45份，自由基捕获剂3.5~6.5份，炭黑2~3份，热稳定剂 1.8~3.3份，紫外线吸收剂 5~8份。
    宽光谱太阳能电池材料的制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至300~380℃，1000~1500rpm转速下持续搅拌3~8h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在60~80℃下搅拌20~40min；
    3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以30~80rpm的低速搅拌，控制加料速度为1~10g/min，加料结束，以3~10℃/min的升温速率升温至500~700℃，搅拌速度提高至400~600rpm，加入剩余组分，继续搅拌30~60min，得到宽光谱太阳能电池材料。
    步骤1）中搅拌速度为1200rpm，搅拌5h。
    步骤3）中加料速度为5g/min，升温速率为6℃/min。
有益效果：本发明提供的宽光谱太阳能电池材料及其制备方法，具有良好的电子堆积性能，较高的载流子迁移率，在150~4000nm范围内均有吸收峰，可有效提高太阳能电池的光电转换效率，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1
    一种宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 20份，碳化硅5份，氮化硅 8份，氧化铒 1.5份，量子点8份，环戊烯并二噻吩 30份，苯并噻二唑 15份，1,8-辛二硫醇 5份，三碱式硫酸铅0.55份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）8.5份，热稳定剂 二月桂酸二丁基锡 5份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 10份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
    制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
实施例2
一种宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 10份，碳化硅 2份，氮化硅 3份，氧化铒 0.8份，量子点2份，环戊烯并二噻吩 20份，苯并噻二唑 10份，1,8-辛二硫醇 2份，三碱式硫酸铅0.15份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）1.5份，热稳定剂 二月桂酸二丁基锡 1份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 3份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
    制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
实施例3
一种宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 17份，碳化硅 4份，氮化硅 5.5份，氧化铒 1.1份，量子点4.9份，环戊烯并二噻吩 25.3份，苯并噻二唑 13.9份，1,8-辛二硫醇 3.3份，三碱式硫酸铅0.3份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）6.5份，热稳定剂 二月桂酸二丁基锡 4份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 6.5份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
    制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
实施例4
宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 18份，碳化硅 4份，氮化硅6份，氧化铒 1.3份，量子点6份，环戊烯并二噻吩 28份，苯并噻二唑 14份，1,8-辛二硫醇4份，三碱式硫酸铅0.45份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）6.5份，炭黑3份，热稳定剂 月桂酸马来酸二丁基锡 3.3份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 8份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
 制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
实施例5
    宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 12份，碳化硅 3份，氮化硅 4份，氧化铒 1份，量子点4份，环戊烯并二噻吩 24份，苯并噻二唑 12~份，1,8-辛二硫醇 3份，三碱式硫酸铅0.25份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）3.5份，炭黑2份，热稳定剂 月桂酸马来酸二丁基锡 1.8份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 5份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
 制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
实施例6
    宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 15份，碳化硅 3.3份，氮化硅 4.2份，氧化铒 1.1份，量子点4.4份，环戊烯并二噻吩 25份，苯并噻二唑 12.7份，1,8-辛二硫醇 3.2份，三碱式硫酸铅0.28份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）4份，炭黑2.6份，热稳定剂 月桂酸马来酸二丁基锡 2.5份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 6.1份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
    制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
实施例7
宽光谱太阳能电池材料，组分及各组分质量份数如下：石墨 14份，碳化硅 3.5份，氮化硅 5份，氧化铒 1.1份，量子点5份，环戊烯并二噻吩 26份，苯并噻二唑 13份，1,8-辛二硫醇 3.5份，三碱式硫酸铅0.35份，自由基捕获剂 癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）5份，炭黑2.7份，热稳定剂 二月桂酸二丁基锡 2.9份，紫外线吸收剂 水杨酸苯酯 7份。碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
制备方法，包括如下步骤：
    1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至340℃，1200rpm转速下持续搅拌5h，得到共聚物；
    2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在70℃下搅拌30min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以50rpm的低速搅拌，控制加料速度为5g/min，加料结束，以6℃/min的升温速率升温至600℃，搅拌速度提高至500rpm，加入剩余组分，继续搅拌45min，得到宽光谱太阳能电池材料。
将实施例1~7中制备得到的宽光谱太阳能电池材料应用到有机光伏太阳能电池上，考察其器件能量转换效率，载流子传递效率与载流子迁移率，结果见表1。
表1：
  载流子传递效率/(mA·cm-2) 载流子迁移率/(cm2·V-1) 光电转换效率/%
实施例1 14.45 0.015 22.7
实施例2 13.73 0.016 23.1
实施例3 15.48 0.018 22.9
实施例4 19.92 0.035 31.8
实施例5 18.87 0.031 32.6
实施例6 23.15 0.038 34.9
实施例7 25.53 0.042 42.8
从表1中可以看出，添加炭黑后可有效提高太阳能电池的光电转换效率，可能是因为黑色更利用太阳光的吸收。 

Claims (10)

1.一种宽光谱太阳能电池材料，其特征在于组分及各组分质量份数如下：石墨 10~20份，碳化硅 2~5份，氮化硅 3~8份，氧化铒 0.8~1.5份，量子点2~8份，环戊烯并二噻吩 20~30份，苯并噻二唑 10~15份，1,8-辛二硫醇 2~5份，三碱式硫酸铅0.15~0.55份，自由基捕获剂1.5~8.5份，热稳定剂 1~5份，紫外线吸收剂 3~10份。
2.根据权利要求1所述宽光谱太阳能电池材料，其特征在于：所述热稳定剂为二月桂酸二丁基锡或者月桂酸马来酸二丁基锡。
3.根据权利要求1所述宽光谱太阳能电池材料，其特征在于：所述紫外线吸收剂为水杨酸苯酯。
4.根据权利要求1所述宽光谱太阳能电池材料，其特征在于：所述碳化硅的粒度为0.35~0.7nm。
5.根据权利要求1所述宽光谱太阳能电池材料，其特征在于：所述自由基捕获剂为癸二酸双（2,2,6,6-四甲基-4-哌啶酯）。
6.根据权利要求1所述宽光谱太阳能电池材料，其特征在于：还包括炭黑1~3份。
7.根据权利要求6所述宽光谱太阳能电池材料，其特征在于组分及各组分质量份数如下：石墨 12~18份，碳化硅 3~4份，氮化硅 4~6份，氧化铒 1~1.3份，量子点4~6份，环戊烯并二噻吩 24~28份，苯并噻二唑 12~14份，1,8-辛二硫醇 3~4份，三碱式硫酸铅0.25~0.45份，自由基捕获剂3.5~6.5份，炭黑2~3份，热稳定剂 1.8~3.3份，紫外线吸收剂 5~8份。
8.权利要求1所述宽光谱太阳能电池材料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)将环戊烯并二噻吩、苯并噻二唑与1,8-辛二硫醇混合均匀，加热至300~380℃，1000~1500rpm转速下持续搅拌3~8h，得到共聚物；
2）将石墨、碳化硅 、氮化硅、氧化铒 、量子点和三碱式硫酸铅混合，在60~80℃下搅拌20~40min；
3）将步骤2）的物料加入到步骤1）的共聚物中，加入过程中，先以30~80rpm的低速搅拌，控制加料速度为1~10g/min，加料结束，以3~10℃/min的升温速率升温至500~700℃，搅拌速度提高至400~600rpm，加入剩余组分，继续搅拌30~60min，得到宽光谱太阳能电池材料。
9.根据权利要求8所述宽光谱太阳能电池材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中搅拌速度为1200rpm，搅拌5h。
10.根据权利要求8所述宽光谱太阳能电池材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中加料速度为5g/min，升温速率为6℃/min。
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