CN105826430B - 一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，将稀土离子均匀分散于含锡或含钛的致密层溶液中，采用刮涂法或旋涂法或喷雾法成膜于导电基底材料上，通过高温烧结获得稀土离子掺杂的二氧化锡或二氧化钛的多功能薄膜。该薄膜具有阻挡层的功能，能有效降低光生电子的回传，进而提高太阳能电池的光电性能；具有上转换或下转换的功能，能有效拓展太阳能电池对太阳光的吸收光谱范围，进而提高太阳能电池的光电性能；具有下转换功能的薄膜，还具有防止吸光材料被紫外光降解的功能，能有效提高太阳能电池的长期稳定性。该薄膜可满足高效低成本太阳能电池应用的要求，且具有制备条件温和可控，制备方法简单有效，成本低，有利于大规模生产的特点。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池功能薄膜，具体属于一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池或钙钛矿太阳能电池是一种新型光电转换装置，它具有效率高、成本低、稳定性好等优点，可采用旋涂、丝网印刷、快速涂布等技术，便于大面积生产，具有较强的竞争力，有广泛的应用前景。该太阳能电池是以热稳定性和光化学稳定性好的宽禁带二氧化钛为基体半导体材料，在其表面制备一层吸光材料用以吸收可见光，产生光生电子，从而达到光电转换的效果。高效率的太阳能电池的关键在于光阳极的制备。
现有的光阳极制备方法主要有将二氧化钛胶体涂敷于含二氧化钛致密层(功能薄膜)的导电基底上，经过高温烧结而形成的。其中，致密层作为电子回传的阻挡层，能有效降低电子复合，提高电池的光电性能。但传统致密层的功能单一(只具有阻挡层的功能)，为进一步提高太阳能电池的光电转换性能和长期稳定性，制备具有阻挡层功能、上下转换层功能以及防止吸光材料降解的多功能薄膜，对提高太阳能电池光电转换效率以及长期稳定性意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法。该方法可制备出满足高效低成本太阳能电池光阳极应用要求的薄膜。该薄膜应具有阻挡层的功能、上转换或下转换的功能、下转换功能的薄膜还具有防止吸光材料被紫外光降解的功能。
为了达成上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，将稀土离子均匀分散于含锡或含钛的致密层溶液中，采用刮涂法或旋涂法或喷雾法成膜于导电基底材料上，通过高温烧结获得稀土离子掺杂的二氧化锡或二氧化钛的功能薄膜。
具体制备方法，包括如下步骤：
1)制备浓度为0.3-1.5mmol·L-1的含锡或含钛的致密层溶液；
2)制备含稀土离子总浓度为0.1-0.5mol·L-1的醇溶液或水溶液；
3)按体积比1：10-30，将步骤2)制备的含稀土离子的醇溶液或水溶液加入至步骤1)制备的含锡或含钛的致密层溶液中，搅拌均匀，获得含稀土离子的混合溶液；
4)清洗导电基底，将步骤3)制备的混合溶液刮涂或旋涂或喷雾涂于清洗过的导电基底上，晾干，烧结，冷却至室温，获得多功能薄膜。
所述的含锡或含钛的致密层溶液为四氯化锡的乙醇溶液、四氯化锡的水溶液、异丙氧醇钛的异丙醇溶液、钛酸四正丁酯的正丁醇溶液或四氯化钛水溶液。
所述的稀土氧化物为三氧化二钇、三氧化二铈、三氧化二钕、三氧化二钷、三氧化二钐、三氧化二铕、三氧化二钆、三氧化二铽、三氧化二镝、三氧化二钬、三氧化二铒、三氧化二铥和三氧化二镱中的一种或几种。
所述步骤2)中的醇为乙醇、异丙醇或正丁醇。
所述的含稀土离子的醇溶液或水溶液加入至含锡或含钛的致密层溶液中的比例是1：15-25范围之间。
所述的导电基底采用FTO导电玻璃和ITO导电玻璃中的一种。
所述的太阳能电池为染料敏化太阳能电池或钙钛矿太阳能电池。
本发明的有益效果：采用该方法制备的多功能薄膜具有以下功能：1)具有阻挡层的功能，能有效降低光生电子的回传，从而提高光生电子的有效寿命，进而提高太阳能电池的光电性能；2)具有上转换或下转换的功能，能将红外光或紫外光转变成可见光，从而有效拓展太阳能电池对太阳光的吸收光谱范围，进而提高太阳能电池的光电性能；3)具有下转换功能的薄膜，还具有防止吸光材料被紫外光降解的功能，能有效提高太阳能电池的长期稳定性。本发明制备条件温和可控，方法简单有效，成本低，有利于商业化大规模生产。通过本发明方法制备的薄膜用于制备太阳能电池光阳极，并组装成太阳能电池，目前光电转换效率最高达到16.33％，完全满足太阳能电池的应用要求。
具体实施方式
实施例1
第一步，将四氯化锡溶于无水乙醇中，制备0.5mmol·L-1四氯化锡致密层溶液；
第二步，采用水热法，将三氧化钇、三氧化镱、三氧化铕按摩尔比为8：1.9：0.1混合溶解于硝酸溶液中，加热蒸发浓缩，获得含上述三种稀土离子的硝酸盐，分散至无水乙醇中，制备含稀土离子总浓度为0.2mol·L-1的乙醇溶液；
第三步，按体积比1：20，将第二步制备的含稀土离子的乙醇溶液加入至第一步制备的四氯化锡致密层溶液中，搅拌均匀；
第四步，清洗FTO导电基底，将第三步制备的混合溶液旋涂于清洗过的FTO导电基底上，先500转/分钟旋涂10秒，再6000转/分钟旋涂30秒，晾干，500℃烧结半小时，冷却至室温，获得多功能薄膜。
该多功能薄膜能将378nm波长的紫外光转变成637nm、666nm和678nm等波长的可见光，将获得的多功能薄膜用于制备二氧化钛光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池。当光强为100mW·cm-2时，该电池光电流密度为18.70mA·cm-2，开路电压为0.78V，填充因子为0.72，光电转换效率达到10.50％，并且该太阳能电池的稳定性提高了20.1％。
实施例2
第一步，将四氯化锡溶于无水乙醇中，制备0.5mmol·L-1四氯化锡致密层溶液；
第二步，采用水热法，将三氧化钇、三氧化铈、三氧化镝按摩尔比为8：1.8：0.2混合溶解于硝酸溶液中，加热蒸发浓缩，获得含上述三种稀土离子的硝酸盐，分散至无水乙醇中，制备含稀土离子总浓度为0.3mol·L-1的乙醇溶液；
第三步，按体积比1：25，将第二步制备的含稀土离子的乙醇溶液加入至第一步制备的四氯化锡致密层溶液中，搅拌均匀；
第四步，清洗FTO导电基底，将第三步制备的混合溶液旋涂于清洗过的FTO导电基底上，先500转/分钟旋涂10秒，再6000转/分钟旋涂30秒，晾干，500℃烧结半小时，冷却至室温，获得多功能薄膜。
该多功能薄膜能将385nm波长的紫外光转变成637nm、663nm和678nm等波长的可见光，将获得的多功能薄膜用于制备二氧化钛光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池。当光强为100mW·cm-2时，该电池光电流密度为18.50mA·cm-2，开路电压为0.76V，填充因子为0.71，光电转换效率达到9.98％，并且该太阳能电池的稳定性提高了18.6％。
实施例3
第一步，将四氯化钛溶于无水乙醇中，制备0.3mmol·L-1四氯化钛致密层溶液；
第二步，采用水热法，将三氧化钇、三氧化镱、三氧化铒按摩尔比为8：2：0.1混合溶解于三氟乙酸溶液中，加热蒸发浓缩，获得含上述三种稀土离子的三氟乙酸盐，分散至无水乙醇中，制备含稀土离子总浓度为0.3mol·L-1的乙醇溶液；
第三步，按体积比1：15，将第二步制备的含稀土离子的乙醇溶液加入至第一步制备的四氯化钛致密层溶液中，搅拌均匀；
第四步，清洗FTO导电基底，将第三步制备的混合溶液旋涂于清洗过的FTO导电基底上，先500转/分钟旋涂10秒，再6000转/分钟旋涂30秒，晾干，500℃烧结半小时，冷却至室温，获得多功能薄膜。
该多功能薄膜能将980nm波长的红外光转变成550nm和675nm等波长的可见光，将获得的多功能薄膜用于制备二氧化钛光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池。当光强为100mW·cm-2时，该电池光电流密度为17.35mA·cm-2，开路电压为0.78V，填充因子为0.65，光电转换效率达到8.80％。
实施例4
第一步，将四氯化钛溶于水中，制备0.3mmol·L-1四氯化钛致密层溶液；
第二步，采用水热法，将三氧化钇、三氧化镱、三氧化钕按摩尔比为8：2：0.1混合溶解于三氟乙酸溶液中，加热蒸发浓缩，获得含上述三种稀土离子的三氟乙酸盐，分散至去离子水中，制备含稀土离子总浓度为0.2mol·L-1的水溶液；
第三步，按体积比1：15，将第二步制备的含稀土离子的水溶液加入至第一步制备的四氯化钛致密层溶液中，搅拌均匀；
第四步，清洗FTO导电基底，将第三步制备的混合溶液旋涂于清洗过的FTO导电基底上，先500转/分钟旋涂10秒，再6000转/分钟旋涂30秒，晾干，500℃烧结半小时，冷却至室温，获得多功能薄膜。
该多功能薄膜能将991nm波长的红外光转变成560nm和671nm等波长的可见光，将获得的多功能薄膜用于制备二氧化钛光阳极，然后组装成染料敏化太阳能电池。当光强为100mW·cm-2时，该电池光电流密度为17.10mA·cm-2，开路电压为0.76V，填充因子为0.71，光电转换效率达到9.23％。
实施例5
第一步，将四氯化锡溶于无水乙醇中，制备0.5mmol·L-1四氯化锡致密层溶液；
第二步，采用水热法，将三氧化钇、三氧化镱、三氧化铕按摩尔比为8：2：0.1混合溶解于三氟乙酸溶液中，加热蒸发浓缩，获得含上述三种稀土离子的三氟乙酸盐，分散至无水乙醇中，制备含稀土离子总浓度为0.4mol·L-1的乙醇溶液；
第三步，按体积比1：15，将第二步制备的含稀土离子的乙醇溶液加入至第一步制备的四氯化锡致密层溶液中，搅拌均匀；
第四步，清洗FTO导电基底，将第三步制备的混合溶液旋涂于清洗过的FTO导电基底上，先500转/分钟旋涂10秒，再6000转/分钟旋涂30秒，晾干，500℃烧结半小时，冷却至室温，获得多功能薄膜。
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Claims (8)
1.一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)制备浓度为0.3-1.5mmol·L-1的含锡或含钛的致密层溶液；
2)制备含稀土离子总浓度为0.1-0.5mol·L-1的醇溶液或水溶液；
3)按体积比1：10-30，将步骤2)制备的含稀土离子的醇溶液或水溶液加入至步骤1)制备的含锡或含钛的致密层溶液中，搅拌均匀，获得含稀土离子的混合溶液；
4)清洗导电基底，将步骤3)制备的混合溶液刮涂或旋涂或喷雾涂于清洗过的导电基底上，晾干，烧结，冷却至室温，获得多功能薄膜。
2.如权利要求1所述的一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述的含锡或含钛的致密层溶液为四氯化锡的乙醇溶液、四氯化锡的水溶液、异丙氧醇钛的异丙醇溶液、钛酸四正丁酯的正丁醇溶液或四氯化钛水溶液。
3.如权利要求1所述的一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述的稀土氧化物为三氧化二钇、三氧化二铈、三氧化二钕、三氧化二钷、三氧化二钐、三氧化二铕、三氧化二钆、三氧化二铽、三氧化二镝、三氧化二钬、三氧化二铒、三氧化二铥和三氧化二镱中的一种或几种。
4.如权利要求1所述的一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中的醇为乙醇、异丙醇或正丁醇。
5.如权利要求1所述的一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述的含稀土离子的醇溶液或水溶液加入至含锡或含钛的致密层溶液中的比例是1：15-25。
6.如权利要求1所述的一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述的导电基底为FTO导电玻璃或ITO导电玻璃。
7.如权利要求1所述的一种太阳能电池多功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述的太阳能电池为染料敏化太阳能电池或钙钛矿太阳能电池。
8.如权利要求1-7任一权利要求所述方法制备的太阳能电池多功能薄膜。
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