CN107742581B - 一种基于混合溶剂提高吸附量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混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法，属于太阳电池领域。该方法是将油溶性半导体量子点溶解在低介电常数(弱极性)有机溶剂中，再加入一定体积的高介电常数(强极性)的有机溶剂得到量子点的溶液；将宽带隙材料纳米晶颗粒组成的光阳极介孔膜浸泡在上述溶液中，使得量子点负载在光阳极膜上；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。本发明的方法，对比现有单一溶剂吸附技术，本发明中的混合溶剂吸附技术可以显著的提高量子点在光阳极上的负载量，从而提高太阳电池的光伏性能。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池领域，特别涉及一种基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法。
背景技术
太阳能具有清洁、可再生、分布广泛等优点，因而得到人们的广泛关注与研究，相比于传统的化石能源，太阳能可以更好地满足人类社会的可持续发展。光伏发电是太阳能利用的重要技术手段，而太阳电池是实现光伏发电的半导体器件。量子点太阳电池是以量子点为光吸收材料的太阳电池，量子点具有高消光系数、可调节吸光范围、高稳定性和低成本等优点，因而拥有广阔的应用前景。量子点太阳电池由三个部分组成：负载了量子点材料的光阳极、电解质和对电极。
量子点在光阳极上的沉积方法会显著地影响量子点太阳电池的性能，其沉积方法可分为原位生长沉积和预先合成量子点沉积两种。原位生长沉积法是采用连续离子沉积、化学浴沉积技术手段，在介孔结构光阳极膜上直接原位生长量子点材料。这种方法通常能够得到较高的量子点负载量，但是所得量子点的缺陷态密度高，从而限制相应太阳电池的光伏性能；预先合成量子点沉积法是预先制备好高质量的量子点材料，再将量子点负载到光阳极上。由于量子点的尺寸较大，不利于其在光阳极中地渗透与吸附，使得量子点在光阳极上的负载量较小，限制了对太阳光的捕获能力，从而制约了电池性能的提高。因此，改进量子点的吸附方法，提高量子点在光阳极上的负载量是提高量子点太阳电池光伏性能的重要途径。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法。
将油溶性半导体量子点溶解在低介电常数(弱极性)有机溶剂中，再加入一定体积的高介电常数(强极性)的有机溶剂得到量子点的溶液；将宽带隙材料纳米晶颗粒组成的光阳极介孔膜浸泡在上述溶液中，使得量子点负载在光阳极膜上；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。
相比于传统单一溶剂吸附方法，采用该方法具有更高的量子点吸附量。
本发明的另一目的在于提供一种量子点太阳电池。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法，是将光阳极、电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池；
所述的光阳极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将量子点溶解在低介电常数有机溶剂A中，然后加入一定比例的高介电常数有机溶剂B，得到量子点的溶液，所述有机溶剂B与有机溶剂A的体积比为0.01～10；
(2)通过丝网印刷技术，在导电玻璃基底上印刷介孔的宽带隙材料纳米晶颗粒，烧结后得到光阳极，所述光阳极的膜厚为1～30μm；
(3)将步骤(2)得到的光阳极浸泡在步骤(1)得到的量子点的溶液中一定时间，得到量子点负载的光阳极，即适用于量子点太阳电池的光阳极。
进一步，所述步骤(1)中的量子点包括CdS、CdSe、CdTe、CdSexTe1-x、Zn-Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Se-S、CuInS2、CdIn2S4、ZnS和碳量子点中的一种或多种混合，优选为CdSe量子点。
进一步，所述步骤(1)中的低介电常数有机溶剂A包括正己烷、环己烷、庚烷、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、三乙胺、丁胺、醋酸乙酯、甲苯、四氢呋喃和乙醚中的一种或多种混合，优选为正己烷。
进一步，所述步骤(1)中的高介电常数有机溶剂B包括甲醇、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、丙酮和吡啶中的一种或多种混合，优选为丙酮。
进一步，所述步骤(1)中的量子点的溶液中量子点的浓度为1～1000μmol/L，优先为26μmol/L；
作为一种优选方案，所述步骤(1)中的有机溶剂B与有机溶剂A的体积比为0.45～10，更优选为0.45～0.62；进一步优选为0.534；
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(2)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)。
作为一种优选方案，所述步骤(2)中的光阳极的膜厚为5～15μm；
进一步，所述步骤(3)中的浸泡的时间为1～360min；优选为180min；
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30min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：
本发明的一种基于共溶剂吸附制备量子点太阳电池的方法，对比现有单一溶剂吸附技术，本发明中的混合溶剂吸附技术可以显著的提高量子点在光阳极上的负载量，从而提高太阳电池的光伏性能。
附图说明
图1是丙酮与正己烷的体积比变化时，所述光阳极的吸光度曲线。
图2是丙酮与正己烷的体积比变化时，所述光阳极在波长为618nm时吸光度变化的曲线。
图3是丙酮与正己烷的体积比变化时，所述15μm厚的光阳极，与电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池的光伏性能参数。
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CdSe量子点，制备方法见文献Near infrared absorption ofCdSexTe1-x alloyed quantum dot sensitized solar cells with more than 6％efficiency and high stability.ACS Nano 2013 7(6):5215-5222.
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30min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
将CdSe量子点溶解在5mL的正己烷中，然后加入一定比例的丙酮，得到量子点的溶液，所述量子点的浓度为26μmol/L，所述丙酮与正己烷的体积比为0～0.618；通过丝网印刷技术，在导电玻璃基底上印刷介孔的宽带隙材料(TiO2纳米晶颗粒)，烧结后得到光阳极，所述光阳极的膜厚为4μm和15μm；将所述光阳极浸泡在量子点的溶液中3小时，得到量子点负载的光阳极；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。
将所述4μm厚的光阳极，用于吸光度测试，结果如图1和图2所示。
将所述15μm厚的光阳极，与电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池，其光伏性能参数如图3所示。
根据图1和图2的数据可知，当丙酮的体积比由小到大变化时，吸光度呈现先增大后减小的趋势，说明量子点的负载量也是先增大后减小的趋势。在体积为0.534时量子点负载量最大，并此时量子点负载量远大于单一正己烷(体积比为0)为溶剂时负载量。
根据图3的数据可知，当丙酮的体积比由小到大变化时，开路电压和填充因子变化不大，而短路电流密度呈现出明显地先增大后减小的趋势，最终导致光电转换效率先增大后减小。体积为0.534时，光电转换效率达到最大值。
从实施例可以看出，本发明所述的共溶剂吸附方法可以显著的提高量子点在光阳极上的负载量，进一步提高量子点太阳电池的光伏性能。
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 (9)
1.一种基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法，是将光阳极、电解质以及对电极组装成三明治结构的量子点太阳电池，其特征在于：
所述的光阳极的制备方法，包括如下步骤：
(1)将量子点溶解在低介电常数有机溶剂A中，然后加入一定比例的高介电常数有机溶剂B，得到量子点的溶液，所述有机溶剂B与有机溶剂A的体积比为0.01～0.595；
(2)通过丝网印刷技术，在导电玻璃基底上印刷介孔的宽带隙材料纳米晶颗粒，烧结后得到光阳极，所述光阳极的膜厚为1～30μm；
(3)将步骤(2)得到的光阳极浸泡在步骤(1)得到的量子点的溶液中一定时间，得到量子点负载的光阳极，即适用于量子点太阳电池的光阳极；
所述步骤(1)中的高介电常数有机溶剂B包括甲醇、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、丙酮和吡啶中的一种或多种混合。
2.根据权利要求1所述的基于混合溶剂提高量子点吸附量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CdS、CdSe、CdTe、CdSexTe1-x、Zn-Cu-In-Se、Cu-In-Ga-Se、Cu-In-Se-S、CuInS2、CdIn2S4、ZnS和碳量子点中的一种或多种混合。
3.根据权利要求1所述的基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中的低介电常数有机溶剂A包括正己烷、环己烷、庚烷、一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷、四氯甲烷、三乙胺、丁胺、醋酸乙酯、甲苯、四氢呋喃和乙醚中的一种或多种混合。
4.根据权利要求1所述的基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(1)中的量子点的溶液中量子点的浓度为1～1000μmol/L。
5.根据权利要求1所述的基于混合溶剂提高量子点吸附量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。
6.根据权利要求1所述的基于混合溶剂提高量子点吸附量制备量子点太阳电池的方法，其特征在于：
所述步骤(3)中的浸泡的时间为1～360min。
7.根据权利要求1所述的基于混合溶剂提高量子点吸附量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。
8.一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1～7任一项中所述的光阳极的制备方法制备得到。
9.一种量子点太阳电池，其特征在于通过权利要求1～7任一项所述的方法制备得到。
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