CN104882287B - 一种提高量子点敏化太阳能电池光电转换效率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太阳能电池技术领域，具体的说涉及一种提高量子点敏化太阳能电池光电转换效率的方法，该方法利用浸泡法在ZnO纳米棒阵列光阳极表面修饰一层致密的有机自组装分子层（SAMs），具体包括以下步骤：①、氧化锌纳米棒阵列的制备；②、沉积有机自组装单层膜（SAMs膜）；③、沉积CdS量子点敏化层；④、组装太阳能电池。本发明方法有效实现了ZnO光阳极与CdS量子点间界面改性，提高了电池的光电转换效率，同时该方法操作起来更加简单，反应温度低，成本低，利于大规模生产。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体的说涉及一种提高量子点敏化太阳能电池光电转换效率的方法。
背景技术
由于能源危机问题，太阳能电池被市场高度重视，其中又以量子点敏化太阳能电池（QDSSCs）最具发展潜力，因为理论的研究结果表明QDSSCs可以获得最高66％的光电转换效率，但实验中QDSSCs的实际转化效率还很低。为了提高电池的效率，人们一般采用三种方法，即提高材料结晶质量、采用复合吸光材料以及界面处理。而界面处理则是提高电池效率的基础性以及关键性问题。对于CdS量子点敏化ZnO基太阳能电池来说，目前采用最多的界面处理方法是在光阳极半导体表面沉积一层更高导带位置的半导体或者绝缘层（如ZnS层），形成具有核壳结构的阻挡层，从而增加光阳极与电解液的复合电阻，而由此形成的能量势垒也可以阻碍电子背反应过程，极大幅度提高电池光电转换效率。然而为了保证ZnS阻挡层的结晶质量并精确控制层的厚度，人们往往需要采用分子束外延和化学气相沉积等生长方法，实验条件苛刻，操作方法复杂，成本高，不利于大规模生产。因此，我们开发了一种在光阳极表面修饰一层有机自组装单层（Self-Assembled Monolayers，简称SAMs）膜的方法，实现了与沉积ZnS阻挡层同样的效果，有效地提高了电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高量子点敏化太阳能电池光转换效率的方法，有效实现了ZnO光阳极与CdS量子点间界面改性，有效地提高了电池的光电转换效率，同时该方法操作起来更加简单，反应温度低，成本低，利于大规模生产。
本发明的目的是这样实现的，该方法利用浸泡法在ZnO纳米棒阵列光阳极表面修饰一层致密的有机自组装分子层（SAMs），具体包括以下步骤：
①、氧化锌纳米棒阵列的制备：采用两步化学水浴沉积法制备ZnO纳米棒，即通过醋酸锌溶液旋涂法在ITO玻璃衬底上沉积ZnO籽晶层，然后将带有籽晶层衬底置于硝酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液的烧杯中，硝酸锌和六亚甲基四胺的摩尔比是1:1，带有籽晶层衬底与烧杯底部倾斜角度为45~70o，然后将烧杯保持在93°C恒温干燥箱中6小时，生长ZnO 纳米棒阵列，制得带有ZnO纳米棒阵列的ITO玻璃衬底；
②、沉积有机自组装单层膜（SAMs膜）：在30oC恒定温度下分别配制20mL的摩尔浓度为1mmol/L~100mmol/L的SAMs原溶液，将①中制得的带有ZnO纳米棒阵列的ITO玻璃衬底分别浸入盛有SAMs原溶液的烧杯中，浸泡30s~5min，取出后，用浓度99%的乙醇溶液冲洗，晾干制得带有SAMs膜的ZnO光阳极待用；所述SAMs原溶液是0.01mol/L的3-膦酰基丙酸（3-PPA）乙醇溶液；
③、沉积CdS量子点敏化层：将②中带有SAMs膜的ZnO光阳极先浸入0.1mol/L的硝酸镉（Cd (NO3)2·4H2O）水溶液中浸泡5分钟，取出后用去离子水冲洗，接着再浸入0.1mol/L的硫化钠（Na2S·9H2O）水溶液中浸泡5分钟，取出后再用去离子水冲洗，此为一个循环，重复6~12次循环后，在空气中晾干即得CdS量子点敏化后的ZnO光阳极；
④、组装太阳能电池：将步骤③中得到的CdS量子点敏化后的ZnO光阳极与Pt/ITO（Pt层的厚度为20nm）组装成三明治结构，并注入碘离子电解液，形成带有SAMs膜的CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列的太阳能电池。
本发明具有以下优点和积极效果：
1、本发明方法由于在光阳极表面修饰一层有机自组装单层SAMs膜，有效实现了ZnO光阳极与CdS量子点间界面改性，从而达到提高电池光电转换效率的效果。
2、本发明方法是利用浸泡法在ZnO纳米棒阵列光阳极表面修饰一层致密的有机自组装分子层，即SAMs膜。该SAMs膜不但会减少ZnO光阳极的表面缺陷，有效抑制载流子发光复合，促进电荷分离和传输，还可以使得ZnO光阳极的表面功函数升高，形成能量势垒，起到阻碍电子背向传输的作用，从而使得CdS量子点敏化太阳能电池的光电转换效率最大提高2倍。
3、本发明方法利用浸泡法在光阳极材料表面沉积SAMs膜，同样可以达到沉积半导体或者绝缘体阻挡层的效果，而且该方法操作起来更加简单，反应温度低、成本低，利于大规模生产。
附图说明
图1 本发明方法制备的用SAMs膜修饰前后光阳极的结构示意图。
图2 本发明方法制备的用SAMs膜修饰光阳极前后电池的I-V图。
具体实施方式
一种提高量子点敏化太阳能电池光转换效率的方法，包括以下步骤：
①、氧化锌纳米棒阵列的制备：采用两步化学水浴沉积法制备ZnO纳米棒，即通过醋酸锌溶液旋涂法在ITO玻璃衬底上沉积ZnO籽晶层，然后将带有籽晶层衬底置于硝酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液的烧杯中，硝酸锌和六亚甲基四胺的摩尔比是1:1，带有籽晶层衬底与烧杯底部倾斜角度为45~70o，然后将烧杯保持在93°C恒温干燥箱中6小时，生长ZnO 纳米棒阵列，制得带有ZnO纳米棒阵列的ITO玻璃衬底；
②、沉积有机自组装单层膜（SAMs膜）：在30oC恒定温度下分别配制20mL的摩尔浓度为1mmol/L~100mmol/L的SAMs原溶液，将①中制得的带有ZnO纳米棒阵列的ITO玻璃衬底分别浸入盛有SAMs原溶液的烧杯中，浸泡30s~5min，取出后，用浓度99%的乙醇溶液冲洗，晾干制得带有SAMs膜的ZnO光阳极待用；所述SAMs原溶液是0.01mol/L的3-膦酰基丙酸（3-PPA）乙醇溶液；
③、沉积CdS量子点敏化层：将②中带有SAMs膜的ZnO光阳极先浸入
0.1mol/L的硝酸镉（Cd (NO3)2·4H2O）水溶液中浸泡5分钟，取出后用去离子水冲洗，接着再浸入0.1mol/L的硫化钠（Na2S·9 H2O）水溶液中浸泡5分钟，取出后再用去离子水冲洗，此为一个循环，重复6~12次循环后，在空气中晾干即得CdS量子点敏化后的ZnO光阳极；
④、组装太阳能电池：将步骤③中得到的CdS量子点敏化后的ZnO光阳极与Pt/ITO（Pt层的厚度为20nm）组装成三明治结构，并注入碘离子电解液，形成带有SAMs膜的CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列的太阳能电池。
所述Pt/ITO和碘离子电解液均为现有技术，市场购买得到。
本发明采用浸泡法在ZnO纳米棒阵列光阳极表面修饰一层3-PPA SAMs膜，不但可以减少ZnO光阳极的表面缺陷，有效抑制载流子发光复合，促进电荷分离和传输，还可以使得ZnO光阳极的表面功函数升高，形成能量势垒，起到阻碍电子背向传输的作用，从而使得CdS量子点敏化太阳能电池的光电转换效率大幅度提高。
实施结果如下：
附图1所示是带有SAMs膜的CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列太阳能电池的结构示意图及机制原理图。左图对应的电池具体制作过程为：首先直接在ITO玻璃衬底上生长ZnO纳米棒，衬底与烧杯的倾斜角度为60o，先用浸泡法在ZnO纳米棒表面沉积一层致密的3-PPASAMs膜，3-PPA乙醇溶液的浓度为10mmol/L，沉积时间为1分钟，用乙醇溶液清洗干净后，再在ZnO纳米棒表面沉积CdS敏化层，浸泡时间为5分钟，循环次数为12次，得到CdS量子点敏化后的ZnO光阳极。最后将CdS量子点敏化后的ZnO光阳极与Pt/ITO（Pt层的厚度为20nm）组装成三明治结构，并注入碘离子电解液，形成带有SAMs膜的CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列的太阳能电池。右图可以看出， SAMs膜可以有效调节ZnO纳米棒阵列的功函数。经实验测定，3-PPA的功函数略高于ZnO，在ZnO与CdS之间形成了能量势垒，有效阻止光生电荷的反向传输，减小电子空穴复合的几率，从而提高电池光电转换效率。
附图2所示是用SAMs膜修饰ZnO纳米棒光阳极前后电池的I-V图，通过比较可知，沉积SAMs膜后电池的短路电流密度由1.57 mA/cm2增加至2.83 mA/cm2，开路电压也由0.6 V提高至0.62V，电池光电转换效率则由原来的0.25%提高至0.51%，提高2倍。
Claims (1)
1.一种提高量子点敏化太阳能电池光转换效率的方法，该方法包括氧化锌纳米棒阵列的制备、沉积CdS量子点敏化层、组装太阳能电池，其特征在于：它还包括沉积有机自组装单层SAMs膜，所述沉积有机自组装单层SAMs膜是利用浸泡法在ZnO纳米棒阵列光阳极表面修饰一层致密的有机自组装分子层，具体步骤是：沉积有机自组装单层SAMs膜：在30℃恒定温度下配制20mL的摩尔浓度为1mmol/L～100mmol/L的SAMs原溶液，将制得的带有ZnO纳米棒阵列的ITO玻璃衬底分别浸入盛有SAMs原溶液的烧杯中，浸泡30s～5min，取出后，用浓度99％的乙醇溶液冲洗，晾干制得带有SAMs膜的ZnO纳米棒阵列光阳极待用；所述SAMs原溶液是0.01mol/L的3-膦酰基丙酸(3-PPA)乙醇溶液；所述氧化锌纳米棒阵列的制备方法是利用两步化学水浴沉积法，即通过醋酸锌溶液旋涂法在ITO玻璃衬底上沉积ZnO籽晶层，然后将带有籽晶层衬底置于硝酸锌和六亚甲基四胺的混合溶液的烧杯中，硝酸锌和六亚甲基四胺的摩尔比是1:1，带有籽晶层衬底与烧杯底部倾斜角度为45～70°，然后将烧杯保持在93℃恒温干燥箱中6小时，生长ZnO纳米棒阵列，制得带有ZnO纳米棒阵列的ITO玻璃衬底；所述沉积CdS量子点敏化层的方法是将带有SAMs膜的ZnO光阳极先浸入0.1mol/L的硝酸镉Cd(NO3)2·4H2O水溶液中浸泡5分钟，取出后用去离子水冲洗，接着再浸入0.1mol/L的硫化钠Na2S·9H2O水溶液中浸泡5分钟，取出后再用去离子水冲洗，此为一个循环，重复6～12次循环后，在空气中晾干即得CdS量子点敏化后的ZnO光阳极；所述组装太阳能电池的方法是将得到的CdS量子点敏化后的ZnO光阳极与Pt/ITO组装成三明治结构，并注入碘离子电解液，形成带有SAMs膜的CdS量子点敏化ZnO纳米棒阵列的太阳能电池，所述Pt层的厚度为20nm。
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