CN107742580A - 一种基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，属于太阳电池领域。该方法将半导体量子点负载到宽带隙材料纳米晶颗粒上得到宽带隙材料/量子点复合物；将宽带隙材料/量子点复合物制备成能吸收太阳光的吸光涂料；通过丝网印刷技术将吸光涂料印刷在导电玻璃基底上得到光阳极；将光阳极、电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池。本发明简单方便、经济快捷，所制备的吸光涂料成本低，制备过程无需高温烧结，降低能耗，降低生产成本；适用于大面积器件制备，提高了量子点太阳电池的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池领域，特别涉及一种基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法。
背景技术
随着传统化石能源的日益枯竭，人们迫切寻求一种成本低、环境友好的替代能源以满足社会的持续发展，于是研究者将眼光投向于太阳能。太阳电池是将太阳能直接转换为电能的器件，是太阳能利用的重要手段。量子点太阳电池属于第三代太阳电池，其中作为光吸收材料的量子点具有高消光系数、可调节吸光范围、高稳定性和低成本的优点，因而得到了人们的广泛关注与研究。量子点太阳电池由负载了光吸收材料的光阳极、电解质和对电极三个部分组成。
目前，主要有两种方法实现量子点在光阳极上的沉积：(1)将宽带隙材料介孔膜构成的电极放置于包含阴阳离子的前驱生长溶液中，通过化学浴沉积等方法在光阳极上直接原位沉积量子点材料。由于阴阳离子的尺寸比较小，能够很好的渗透到光阳极的纳米孔道中，因此这种方法能够在光阳极上实现高的量子点负载量，但是所得量子点的缺陷态密度高且尺寸分布宽，从而限制相应太阳电池的光伏性能提升；(2)预先制备好量子点材料，再通过直接吸附、双官能团分子链接或电泳辅助等技术手段将量子点负载到光阳极上。这种方法能够得到高质量的量子点材料，但是由于量子点的尺寸较大，不利于在光阳极介孔膜中渗透与吸附，使其在光阳极上的负载量较小。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法。
将半导体量子点负载到宽带隙材料纳米晶颗粒上得到宽带隙材料/量子点复合物；将宽带隙材料/量子点复合物制备成能吸收太阳光的吸光涂料；通过丝网印刷技术将吸光涂料印刷在导电玻璃基底上得到光阳极；将光阳极、电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池。本发明简单方便、经济快捷，制备过程无需高温烧结，适用于大面积器件制备，提高了量子点太阳电池的应用前景。
本发明的另一目的在于提供通过上述方法制备得到的量子点太阳电池。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，是将光阳极、电解质和对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池；
所述的光阳极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将量子点分散于有机溶剂中得到量子点的分散液；
(2)将宽带隙材料纳米晶颗粒分散于有机溶剂中得到宽带隙材料的分散液；
(3)将步骤(1)得到的量子点的分散液和步骤(2)得到的宽带隙材料的分散液混合，并超声一定时间得到宽带隙材料/量子点复合物的混合溶液；
(4)将步骤(3)得到的宽带隙材料/量子点复合物的混合溶液离心得到沉淀，对产物进行分离、洗涤、干燥后得到宽带隙材料/量子点复合物粉末；
(5)将步骤(4)得到的宽带隙材料/量子点复合物粉末、粘合剂溶液按一定比例超声混均，然后通过旋转蒸发浓缩后得到吸光涂料；
(6)通过丝网印刷技术将步骤(5)得到的吸光涂料印刷在导电玻璃基底上，并烧结一定时间，得到负载量子点的光阳极，即适用于量子点太阳电池的光阳极。
进一步，所述步骤(1)和步骤(2)中的有机溶剂包含一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、环己烷、庚烷、甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、己醇、苯甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酰丙酮、丙酮、醋酸乙酯、甲苯、四氢呋喃和乙醚中的一种或多种混合，优选为二氯甲烷。
进一步，所述步骤(1)中的量子点包括Zn-Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Se-S、CuInS2、CdIn2S4、CdS、CdSe、CdTe、CdSexTe1-x、ZnS和碳量子点中的一种或多种混合，优选为Zn-Cu-In-Se量子点。
进一步，所述步骤(2)中的宽带隙材料纳米晶颗粒包括TiO2、ZnO、SnO2、ZnSnO3、Nb2O5和ZrO2中一种或多种混合，优选为TiO2。
进一步，所述步骤(3)中的宽带隙材料/量子点复合物中宽带隙材料与量子点的质量比为1：(0.09～0.18)；作为一种优选方案，质量比为1：(0.15～0.18)。
作为一种优选方案，所述步骤(5)中的比例为每0.01～1.00g宽带隙材料/量子点复合物分散到1mL粘合剂溶液中。更优选的，所述步骤(5)中的比例为每0.08g宽带隙材料/量子点复合物分散到1mL粘合剂溶液中。
作为一种优选方案，所述步骤(5)中的粘合剂溶液的配制方法为：将1.2mg聚偏二氟乙烯、6.2μL异丙醇钛、0.1mL TiO2溶胶和1mL的松油醇溶解到6mL乙醇中。
进一步，所述步骤(6)中的导电玻璃包含但不限于FTO导电玻璃(掺杂氟的SnO2透明导电玻璃)。
进一步，所述步骤(6)中的烧结的条件为60～150℃烧结1～240min；优选为120℃烧结60min。
进一步，所述的电解质为多硫电解质，作为一种优选方案，其配方为含2mol/LNa2S和2mol/L S的水溶液。
进一步，所述的对电极为负载催化活性材料的电极，作为一种优选方案，对电极为Cu2S/黄铜对电极，其制备方法为：将黄铜片用砂纸打磨并清洗，然后放入培养皿中加入1.2mol/L的稀盐酸，在90℃水浴50min得到处理好的黄铜片，组装太阳电池时与电解质反应得到Cu2S/黄铜对电极。
一种适用于量子点太阳电池的光阳极，通过上述光阳极的制备方法制备得到。
一种量子点太阳电池，通过上述方法制备得到。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明操作简便、经济快捷，所制备的吸光涂料成本低，适用于大面积印刷制备；
(2)本发明所述方法不需要高温烧结过程，降低能耗，降低生产成本；
(3)印刷制备方法能降低生产成本，提高量子点太阳电池的应用前景。
附图说明
图1是宽带隙材料与量子点复合物的质量比为1:0.15时，宽带隙材料/量子点复合物的扫描电镜图。
图2是不同宽带隙材料/量子点复合物的质量比时，量子点太阳电池的电流密度-电压曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例中所用的Zn-Cu-In-Se量子点，制备法见文献Zn-Cu-In-Se Quantum DotSolar Cells with a Certified Power Conversion Efficiency of 11.6％.Journal ofthe American Chemical Society 2016 138(12):4201-4209.
所用的TiO2纳米晶颗粒为德固赛(Evonik degussa)的P25。
所用的FTO导电玻璃是常规市售产品。
所用的粘合剂溶液的配制方法为：将1.2mg聚偏二氟乙烯、6.2μL异丙醇钛、0.1mLTiO2溶胶和1mL的松油醇溶解到6mL乙醇中。
所用的电解质为多硫电解液，其配方为含2mol/L Na2S和2mol/L S的水溶液。
所用的对电极为Cu2S/黄铜对电极(Highly efficient inverted type-I CdS/CdSe core/shell structure QD-sensitized solar cells.ACS Nano 2012 6(5):3982-3991.)，其制备方法为：将黄铜片用砂纸打磨并清洗，然后放入培养皿中加入1.2mol/L的稀盐酸，在90℃水浴50min得到处理好的黄铜片，组装太阳电池时与电解质反应得到Cu2S/黄铜对电极。
实施例1：不同宽带隙材料/量子点的质量比时，量子点太阳电池的制备
称取0.5g的TiO2纳米晶颗粒分散到10mL二氯甲烷中得到TiO2纳米晶颗粒的分散液，再称取一定质量的Zn-Cu-In-Se量子点的分散到10mL二氯甲烷中得到Zn-Cu-In-Se量子点的分散液，其中量子点/TiO2纳米晶颗粒的质量比为0.09～0.18。将上述两种分散液混合超声30s，混合溶液经过分离、洗涤、干燥后得到宽带隙材料/量子点复合物。然后将所得TiO2纳米晶颗粒/量子点复合物与7.1mL粘合剂溶液混合并超声10min，然后通过旋转蒸发浓缩后，得到吸光涂料。
所述的宽带隙材料与量子点复合物的质量比为1:0.15时宽带隙材料/量子点复合物的扫描电镜图，如图1所示。从图1中可知，图中宽带隙材料纳米晶颗粒的尺寸为20～50nm，量子点的尺寸为约4nm，其中量子点均匀覆盖在纳米晶颗粒上。
通过丝网印刷技术将吸光涂料印刷在FTO导电玻璃基底上，并在120℃的马弗炉中烧结60min，得到负载量子点的光阳极。
将所述光阳极、电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池，其光电测试性能如图2和表1所示。
表1为不同量子点/宽带隙材料质量比时，量子点太阳电池的光伏性能参数
根据图2和表1中的数据可知，提高量子点/宽带隙材料的质量比有利于提高量子点太阳电池的光电转换效率。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，是将光阳极、电解质和对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池，其特征在于：
所述的光阳极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将量子点分散于有机溶剂中得到量子点的分散液；
(2)将宽带隙材料纳米晶颗粒分散于有机溶剂中得到宽带隙材料的分散液；
(3)将步骤(1)得到的量子点的分散液和步骤(2)得到的宽带隙材料的分散液混合，并超声一定时间得到宽带隙材料/量子点复合物的混合溶液；
(4)将步骤(3)得到的宽带隙材料/量子点复合物的混合溶液离心得到沉淀，对产物进行分离、洗涤、干燥后得到宽带隙材料/量子点复合物粉末；
(5)将步骤(4)得到的宽带隙材料/量子点复合物粉末、粘合剂溶液按一定比例超声混均，然后通过旋转蒸发浓缩后得到吸光涂料；
(6)通过丝网印刷技术将步骤(5)得到的吸光涂料印刷在导电玻璃基底上，并烧结一定时间，得到负载量子点的光阳极，即适用于量子点太阳电池的光阳极。
2.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(1)和步骤(2)中的有机溶剂包含一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、正己烷、环己烷、庚烷、甲醇、乙醇、异丙醇、丁醇、己醇、苯甲醇、乙二醇、N,N-二甲基甲酰胺、乙酰丙酮、丙酮、醋酸乙酯、甲苯、四氢呋喃和乙醚中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中的量子点包括Zn-Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Se-S、CuInS2、CdIn2S4、CdS、CdSe、CdTe、CdSexTe1-x、ZnS和碳量子点中的一种或多种混合。
4.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(2)中的宽带隙材料纳米晶颗粒包括TiO2、ZnO、SnO2、ZnSnO3、Nb2O5和ZrO2中一种或多种混合。
5.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(3)中的宽带隙材料/量子点复合物中宽带隙材料与量子点的质量比为1：(0.09～0.18)。
6.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(5)中的比例为每0.01～1.00g宽带隙材料/量子点复合物分散到1mL粘合剂溶液中；
所述步骤(5)中的粘合剂溶液的配制方法为：将1.2mg聚偏二氟乙烯、6.2μL异丙醇钛、0.1mL TiO2溶胶和1mL的松油醇溶解到6mL乙醇中。
7.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(6)中的烧结的条件为60～150℃烧结1～240min。
8.根据权利要求1所述的基于吸光涂料制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述的电解质为多硫电解质；
所述的对电极为负载催化活性材料的电极。
9.一种适用于量子点太阳电池的光阳极，其特征在于通过权利要求1～8任一项中所述的光阳极的制备方法制备得到。
10.一种量子点太阳电池，其特征在于通过权利要求1～8任一项所述的方法制备得到。
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