CN107768143A - 一种量子点敏化太阳能电池的钝化层及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种量子点敏化太阳能电池的钝化层，所述钝化层为MnS，形成在电池光阳极膜表面的量子点层上。此外，还公开了上述量子点敏化太阳能电池的钝化层的制备方法和应用。本发明量子点敏化太阳能电池的MnS钝化层，具有传输空穴、阻碍电子迁移与电解质电对的复合、保护量子点不被电解液腐蚀的作用，从而能够有效提高电池的性能，其应用明显提高了电池的光电转换效率。而且，本发明MnS钝化层的制备工艺简单、反应条件温和、可控性和重复性强，适用于制备高性能的量子点敏化太阳能电池。
Description
技术领域
本发明涉及能源材料技术领域，尤其涉及一种量子点敏化太阳能电池的钝化层及其制备方法和应用。
背景技术
量子点敏化太阳能电池(Quantum dot sensitized solar cells，QDSSCs)是在染料敏化太阳能电池(Dye sensitized solar cells，DSSCs)的基础上发展起来的，其结构与DSSCs类似，但是以无机半导体量子点(QD)取代染料作为吸收太阳光的敏化剂。量子点作为敏化剂的优势主要体现在：(1)量子点种类繁多、成本低廉、来源广泛，制造工艺简单；(2)具有良好的光学稳定性，可通过表面修饰改善性能；(3)具有较大的消光系数和固有偶极，可以使电荷快速分离；(4)具有量子尺寸效应，通过调节量子点尺寸来调控能带宽度，从而可拓宽光谱吸收范围；(5)具有多激子产生效应。因此，量子点敏化太阳能电池具有深远的研究意义和良好的应用前景。
目前，量子点敏化太阳能电池各方面的研究都还处在初步阶段，其光电转换效率也低，其中电子复合是阻碍量子点光电转换效率提升的重要原因。在量子点敏化太阳能电池中，敏化剂使用的是无机半导体量子点，由于量子点存在很多表面态缺陷，很容易成为光生电子的复合中心，这样便使得电子还未注入到工作电极的导带就提前复合而影响电池的电流输出。因此，采用宽带隙的半导体作为量子点的钝化层，可以显著提高量子点敏化电池输出的电流密度，从而减少电子复合、增加电池效率。目前现有技术通常使用的钝化层是ZnS，但ZnS是N型半导体，不能传输空穴，同时以ZnS为钝化层，电池的效率仍较低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种量子点敏化太阳能电池的钝化层，具有传输空穴、阻碍电子迁移与电解质电对的复合和保护量子点不被电解液腐蚀的作用，从而优化提高太阳能电池的性能。本发明的另一目的在于提供上述量子点敏化太阳能电池的钝化层的制备方法和应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的一种量子点敏化太阳能电池的钝化层，所述钝化层为MnS，形成在电池光阳极膜表面的量子点层上。进一步地，所述钝化层的MnS颗粒直径＜15nm。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现：
本发明提供的上述量子点敏化太阳能电池的钝化层的制备方法为，采用连续离子层吸附反应法，将量子点敏化后的光阳极膜依次浸入Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和Na2S·9H2O的甲醇和水溶液中作为一次浸渍，重复循环所述浸渍操作，即得到沉积在量子点敏化后的光阳极膜表面的MnS钝化层。
进一步地，本发明所述钝化层的制备方法中，所述Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和Na2S·9H2O的甲醇和水溶液的浓度相同，均各为0.05～0.20mol/L，优选为0.10～0.20mol/L，并且一次浸渍的时间相同，均各为0.5～6min，优选为1～4min；所述浸渍操作重复循环的次数为1～4次，优选为1～2次。
本发明提供的应用上述钝化层的太阳能电池，包括光阳极膜、量子点层、所述MnS钝化层、电解液、对电极。
本发明提供的应用上述钝化层的太阳能电池的制备方法为，所述光阳极膜采用ZnO纳米粉、通过丝网印刷法，制得厚度为10～20μm的纳米晶ZnO多孔光阳极膜；所述量子点层为CdS/CdSe，首先在所述纳米晶ZnO多孔光阳极膜上采用连续离子吸附反应法制备CdS量子点，然后采用化学浴沉积法制备CdSe量子点。
上述方案中，本发明所述太阳能电池的制备方法，具体可采取如下进一步措施：
所述CdS量子点的制备为，将所述纳米晶ZnO多孔光阳极膜依次浸入Cd(NO3)2·4H2O的甲醇溶液和Na2S·9H2O甲醇和水的混合溶液中作为一次浸渍敏化过程，重复循环所述浸渍敏化过程，即得到CdS敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜。
所述CdSe量子点的制备为，将Na2SeSO3、Cd(C4H6O4)2·2H2O、C6H6NNa3O6·H2O溶液混合均匀得到CdSe溶液，将所述CdS敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜浸入CdSe溶液中，浸渍完毕后取出、采用甲醇冲洗，即得到CdS/CdSe量子点敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明量子点敏化太阳能电池的MnS钝化层，具有传输空穴、阻碍电子迁移与电解质电对的复合、保护量子点不被电解液腐蚀的作用，从而能够有效提高电池的性能，其应用明显提高了电池的光电转换效率。
(2)本发明MnS钝化层的制备工艺简单、反应条件温和、可控性和重复性强，适用于制备高性能的量子点敏化太阳能电池。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述：
图1是对本发明实施例一中ZnO光阳极膜上刮下的粉所测得的透射电镜高分辨图；
图2是本发明实施例量子点敏化太阳能电池能级结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例一种量子点敏化太阳能电池的钝化层为MnS，其颗粒直径＜15nm，形成在电池光阳极膜表面的量子点层上。应用于量子点敏化太阳能电池，其实施例如下：
实施例一：
本实施例一种量子点敏化太阳能电池的制备方法，其步骤如下：
(1)纳米晶ZnO多孔光阳极膜的制备
称取2.93g六水硝酸锌和6.49g 2-甲基咪唑分别置于两个烧杯中，分别加入200mL甲醇，磁力搅拌溶解得到六水硝酸锌甲醇溶液、2-甲基咪唑甲醇溶液；然后将六水硝酸锌甲醇溶液迅速倒入2-甲基咪唑甲醇溶液中，在室温条件下磁力搅拌反应1h，反应结束后，离心处理并用甲醇洗涤3次、在50℃温度下干燥，并于500℃温度，升温速率为8℃/min，保温时间为5h，得到的ZnO纳米粉；
将2.8g乙基纤维素(46cp)、2.2g乙基纤维素(10cp)和3g松油醇充分溶解于10g乙醇溶剂中而形成混合溶液；称取1g ZnO纳米粉并倒入上述混合溶液中，振荡5min后超声处理20min，重复该过程4次，使ZnO纳米粉在混合溶液中分散均匀；然后在75℃温度下旋转蒸发30min后得到ZnO浆料；在FTO导电玻璃上丝网印刷ZnO浆料，首先在120℃温度下烘干，然后在450℃温度下煅烧，保温时间为30min，得到厚度为10～20μm的纳米晶ZnO多孔光阳极膜；
(2)CdS/CdSe量子点层的制备
(2-1)配制0.1mol/L Cd(NO3)2·4H2O的甲醇溶液和0.1mol/L Na2S·9H2O甲醇和水的混合溶液(甲醇和水的体积比为1∶1)。将上述纳米晶ZnO多孔光阳极膜依次浸入上述含Cd(NO3)2的溶液、含Na2S的溶液中，浸渍时间分别为1min，即为一次浸渍敏化过程，重复循环该浸渍敏化过程5次，即得到CdS敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜；
(2-2)分别配置0.1mol/L Na2SeSO3、0.1mol/L Cd(C4H6O4)2·2H2O、0.2mol/LC6H6NNa3O6·H2O溶液，混合均匀得到CdSe溶液；将上述CdS敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜浸入CdSe溶液中，避光保存3h，浸渍完毕后取出、采用甲醇冲洗，即得到CdS/CdSe量子点敏化的纳米晶ZnO多孔光阳极膜；
(3)MnS钝化层的制备
采用连续离子吸附反应法，将CdS/CdSe量子点敏化后的光阳极膜依次浸入0.1mol/L的Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和0.1mol/L Na2S·9H2O的甲醇和水(甲醇和水的体积比为1∶1，下同)溶液中，浸渍时间分别为0.5min，即为一次浸渍，重复循环该浸渍操作2次，即得到沉积在CdS/CdSe量子点敏化后的光阳极膜表面的MnS钝化层；如图1所示，CdS、CdSe、MnS已沉积到ZnO光阳极膜上。
(4)电解液的配制
将1mol/L Na2S·9H2O和1mol/L S溶解在去离子水中，在50℃左右水浴搅拌加热，得到透明黄色的多硫电解液(Sn2-/S2-为氧化还原对)；
(5)Cu2S对电极的制作
先将黄铜片置于浓HCl(37％)中并水浴加热，恒温80℃反应20min，反应完毕，用清水清洗铜片，再将铜片浸入上述多硫电解液中，铜片表面迅速变黑；再用无尘纸擦去铜片表面蓬松的黑色物质，即得到Cu2S对电极；
(6)电池的组装
为了防止测试时短路，首先将光阳极除了ZnO膜外用聚酰亚胺胶带粘上，然后将光阳极和对电极组装成开放式三明治结构，即在敏化后的光阳极和对电极之间滴加上述电解液。
实施例二：
本实施例一种量子点敏化太阳能电池的制备方法，与实施例一不同之处在于：所述步骤(3)的浸渍时间分别为1min。
实施例三：
本实施例一种量子点敏化太阳能电池的制备方法，与实施例一不同之处在于：所述步骤(3)的浸渍时间分别为4min。
实施例四：
本实施例一种量子点敏化太阳能电池的制备方法，与实施例二不同之处在于：所述步骤(3)Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和Na2S·9H2O的甲醇和水溶液的浓度均为0.20mol/L。
实施例五：
本实施例一种量子点敏化太阳能电池的制备方法，与实施例二不同之处在于：所述步骤(3)重复循环浸渍操作1次。
对比例一：
对比例一与实施例一不同之处在于：对比例一无任何钝化层。
对比例二：
对比例二与实施例二不同之处在于：对比例二的钝化层为ZnS(将敏化后的ZnO光阳极膜分别浸入0.1mol/L的Zn(NO3)2·6H2O甲醇溶液和0.1mol/L Na2S·9H2O的甲醇和水溶液中，浸渍时间为1min)。
从图2所示能级结构图中可以看出，本发明实施例MnS的导带和价带电位均高于CdSe，这样有利于减少电子的复合和增加空穴传输。
电池的测试：
XPS测试采用美国电热公司型号Thermo escalab 250Xi的光电子能谱仪。使用太阳光模拟器(型号为Newport,94023A,with a SBF178lamp)分析仪测试电池J-V曲线。采用标准的AM1.5的太阳光谱，光源的光谱辐照度为100mW·cm-2，电池面积0.16cm2。测试结果如表1所示。
表1 本发明实施例和对比例太阳能电池的光电性能参数
表1结果表明，在制备MnS钝化层时，相同的条件下，浸在Mn(NO3)2和Na2S溶液中时间从0.5min到4mins，电池的光电性能是先增加后降低，其中当浸渍时间为1min时，电池的性能最优；在制备MnS钝化层时，其他条件相同，吸附Mn2+和S2-时，所用的Mn(NO3)2溶液和Na2S溶液的浓度为0.20mol/L时，电池的光电性能较0.10mol/L时差；当浸渍循环次数为1次时，电池的性能比浸渍循环次数为2次时差。本发明采用MnS为钝化层，所得电池的性能有力显著的提高(光电转换效率达到2.5～3.8％)，明显优于没有钝化层和以ZnS为钝化层的电池性能。
Claims (9)
1.一种量子点敏化太阳能电池的钝化层，其特征在于：所述钝化层为MnS，形成在电池光阳极膜表面的量子点层上。
2.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池的钝化层，其特征在于：所述钝化层的MnS颗粒直径＜15nm。
3.权利要求1或2所述量子点敏化太阳能电池的钝化层的制备方法，其特征在于：采用连续离子层吸附反应法，将量子点敏化后的光阳极膜依次浸入Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和Na2S·9H2O的甲醇和水溶液中作为一次浸渍，重复循环所述浸渍操作，即得到沉积在量子点敏化后的光阳极膜表面的MnS钝化层。
4.根据权利要求3所述的量子点敏化太阳能电池的钝化层的制备方法，其特征在于：所述Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和Na2S·9H2O的甲醇和水溶液的浓度相同，均各为0.05～0.20mol/L，并且一次浸渍的时间相同，均各为0.5～6min；所述浸渍操作重复循环的次数为1～4次。
5.根据权利要求4所述的量子点敏化太阳能电池的钝化层的制备方法，其特征在于：所述Mn(NO3)2·xH2O甲醇溶液和Na2S·9H2O的甲醇和水溶液的浓度均各为0.10～0.20mol/L，一次浸渍时间均各为1～4min；所述浸渍操作重复循环的次数为1～2次。
6.应用权利要求1-5之一所述钝化层的太阳能电池，其特征在于：包括光阳极膜、量子点层、所述MnS钝化层、电解液、对电极。
7.权利要求6所述太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述光阳极膜采用ZnO纳米粉、通过丝网印刷法，制得厚度为10～20μm的纳米晶ZnO多孔光阳极膜；所述量子点层为CdS/CdSe，首先在所述纳米晶ZnO多孔光阳极膜上采用连续离子吸附反应法制备CdS量子点，然后采用化学浴沉积法制备CdSe量子点。
8.根据权利要求7所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述CdS量子点的制备为，将所述纳米晶ZnO多孔光阳极膜依次浸入Cd(NO3)2·4H2O的甲醇溶液和Na2S·9H2O甲醇和水的混合溶液中作为一次浸渍敏化过程，重复循环所述浸渍敏化过程，即得到CdS敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜。
9.根据权利要求8所述的太阳能电池的制备方法，其特征在于：所述CdSe量子点的制备为，将Na2SeSO3、Cd(C4H6O4)2·2H2O、C6H6NNa3O6·H2O溶液混合均匀得到CdSe溶液，将所述CdS敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜浸入CdSe溶液中，浸渍完毕后取出、采用甲醇冲洗，即得到CdS/CdSe量子点敏化后的纳米晶ZnO多孔光阳极膜。
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