CN107785459B - 硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池及其制备方法，涉及太阳能电池技术领域，该硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法包括用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的步骤。利用该方法能够缓解现有技术的硫化镉/硅太阳能电池转换效率低的技术问题，达到提高太阳能电池的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池及其制备方法。
背景技术
太阳能作为一种可再生能源，具有清洁、丰富、安全等诸多优点。对太阳能的合理开发和利用，很可能会在解决能源危机、遏制气候恶化和维持人类社会可持续发展等关键进程中起重要作用。然而目前市场上以技术成熟的硅基太阳能电池为主的光伏器件往往存在光电转换效率较低、制造成本较高等缺点，使其成为能源的主要组成部分仍有很大的难度。如何能显著提高太阳能电池的光转换效率，是一个富有挑战的科学和技术问题，也具有重要的意义。随着纳米技术的日新月异，各种新结构、新模型被广泛应用于太阳能电池，在降低电池生产成本的同时也显著提高电池的光电转换效率，为低成本高效率太阳能电池的制备提供一种新的途径。
目前，新型太阳能电池主要向着薄膜化、叠层化以及新型太阳能电池等方向发展。如将一维纳米材料用于太阳能电池，可以显著的增加光生载流子的扩散长度，降低载流子湮灭几率,从而极大地提高光电转换效率。其中，硫化镉太阳能电池具有高转换效率，高耐热性及强抗辐射能力等优点，成为新型太阳能电池的重要研究方向。
目前，在硅片上沉积硫化镉制备得到的太阳能电池，由于硫化镉的电阻率较高，电子迁移过程中的损耗较高，因此，制备得到的太阳能电池的输出功率比较低。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，以缓解现有技术的硫化镉/硅太阳能电池转换效率低的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池，该太阳能电池具有较高的转换效率。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，包括用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的步骤。
进一步的，先用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备In掺杂的硫化镉量子点，然后再次利用连续离子层吸附反应法在制备得到In掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片表面制备Cu掺杂的硫化镉量子点。
进一步的，制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的方法包括以下步骤：
步骤a)：将铟源与镉源溶于第一溶剂中形成前驱液A，其中铟元素与镉元素的摩尔比为1:(8-13)；将铜源与镉源溶于第二溶剂中形成前驱液B，其中，铜元素与镉元素的摩尔比为1:(95-105)；将硫化铵溶于第三溶剂中形成阴离子前驱液；
步骤b)：先将纳米孔柱硅片置于前驱液A中浸渍4-6min，然后清洗干燥后置于阴离子前驱液中浸渍4-6min，之后再清洗干燥；该步骤循环重复进行3-6次；
步骤c)：将经过步骤b)处理后的纳米孔柱硅片置于前驱液B中浸渍4-6min，然后清洗干燥后置于阴离子前驱液中浸渍4-6min，之后再清洗干燥；该步骤循环重复进行3-6次，即在纳米孔柱硅片表面制备得到Cu和In掺杂的硫化镉量子点；
步骤d)：依次采用稀盐酸和饱和氢氧化钠溶液对生长有Cu和In共掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行腐蚀清洗，直至去除Cu和In掺杂的硫化镉量子点。
进一步的，所述前驱液A的浓度为0.07-0.13mol/L；
优选地，所述铟源包括In(Cl)3或In2(SO4)3；
优选地，所述镉源包括Cd(Ac)2、Cd(Cl)2或CdSO4；
优选地，所述第一溶剂包括乙醇或甲醇。
进一步的，所述前驱液B的浓度为0.07-0.13mol/L；
优选地，所述铜源包括Cu(Cl)3、Cu(Ac)2或CuSO4；
优选地，所述第二溶剂包括乙醇或甲醇。
进一步的，所述阴离子前驱液的浓度为0.07-0.13mol/L；
优选地，所述第三溶剂包括甲醇或乙醇。
进一步的，纳米孔柱硅片的制备方法包括用水热腐蚀法在P型硅片表面制备出柱状结构，得到纳米孔柱硅片。
进一步的，所述水热腐蚀法包括以下步骤：对P型硅片进行清洗，清洗后放入水热反应釜中进行反应，反应结束后得到纳米孔柱硅片；
优选地，所述清洗包括利用RCA标准清洗法进行清洗；
优选地，反应釜中的腐蚀液包括：0.025-0.035mol/L的九水合硝酸铁、11-14mol/L的氢氟酸和去离子水，其中反应釜填充度为80％-87％；
优选地，反应釜的反应温度为138-145℃，反应时间为40-47min；
优选地，取出硅片后包括清洗的步骤，优选为用去离子水进行清洗。
进一步的，在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点后包括制备正负电极的步骤；
优选地，利用真空蒸镀法或磁控溅射法制备正负电极；
优选地，正电极包括铝膜；
优选的，所述铝膜的厚度为550-650nm；
优选地，负电极包括透明导电薄膜，优选为ITO导电膜或AZO导电膜；
优选地，所述透明导电薄膜的厚度为90-110nm；
优选地，将制备正负极后得到的太阳能电池片置于氩气氛围中并在350-450℃条件下退火0.5-1.5h。
一种根据上述制备方法制备得到的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法是利用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点。Cu和In掺杂后，硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的光谱响应中吸收边红移，光吸收范围和强度增加，入射光利用率提高，光子捕获速率增加，进而提高了硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的光电流密度和开路电压。
另外，Cu和In掺杂的硫化镉量子点中，由于硅、硫化镉/铟以及硫化镉/铜之间的能够结构匹配度比较高，拥有阶梯型的能级结构，有利于电子的传输和收集，减少复合中心，从而能够提升硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的转换效率。
此外，Cu和In掺杂后的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的暗电流密度降低，可有效抑制电子的复合，提升电子传输速率，最终提高太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的结构示意图；
图2为本发明实施例1和对比例1中的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的光谱响应对照图；
图3为本发明实施例1中的硅/CdS:In/CdS:Cu量子点三者的能级阶梯示意图；
图4为本发明实施例1和对比例1中的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的伏特性能测试对比图；
图5为图4所示图中对比例1的电池伏特性能测试结果的放大图。
图标：10-P型硅片；20-纳米孔柱；30-透明导电薄膜；40-铝膜。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，包括用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的步骤。
本发明提供的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法是利用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点。Cu和In掺杂后，硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的光谱响应中吸收边红移，光吸收范围和强度增加，入射光利用率提高，光子捕获速率增加，进而提高了硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的光电流密度和开路电压。
另外，Cu和In掺杂的硫化镉量子点中，由于硅、硫化镉/铟以及硫化镉/铜之间的能够结构匹配度比较高，拥有阶梯型的能级结构，有利于电子的传输和收集，减少复合中心，从而能够提升硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的转换效率。
此外，Cu和In掺杂后的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的暗电流密度降低，可有效抑制电子的复合，提升电子传输速率，最终提高太阳能电池的光电转换效率。
作为本发明优选的实施方式，先用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备In掺杂的硫化镉量子点，然后再次利用连续离子层吸附反应法在制备得到In掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片表面制备Cu掺杂的硫化镉量子点。通过该方法使In掺杂的硫化镉量子点直接与纳米孔柱硅片接触，使In掺杂的硫化镉量子点与Cu掺杂的硫化镉量子点接触，三者之间构成一个能级阶梯。
作为本发明优选的实施方式，制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的方法包括以下步骤：
步骤a)：将铟源与镉源溶于第一溶剂中形成前驱液A，其中铟元素与镉元素的摩尔比为1:(8-13)；将铜源与镉源溶于第二溶剂中形成前驱液B，其中，铜元素与镉元素的摩尔比为1:(95-105)；将硫化铵溶于第三溶剂中形成阴离子前驱液；
步骤b)：先将纳米孔柱硅片置于前驱液A中浸渍4-6min，然后清洗干燥后置于阴离子前驱液中浸渍4-6min，之后再清洗干燥；该步骤循环重复进行3-6次；
步骤c)：将经过步骤b)处理后的纳米孔柱硅片置于前驱液B中浸渍4-6min，然后清洗干燥后置于阴离子前驱液中浸渍4-6min，之后再清洗干燥；该步骤循环重复进行3-6次，即在纳米孔柱硅片表面制备得到Cu和In掺杂的硫化镉量子点；
步骤d)：依次采用稀盐酸和饱和氢氧化钠溶液对生长有Cu和In共掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行腐蚀清洗，直至去除Cu和In掺杂的硫化镉量子点。
在上述优选实施方式中，前驱液A中，铟元素与镉元素典型但非限制性的摩尔比例如可以为：1:8、1:9、1:10、1:11、1:12或1:13；前驱液B中，铟元素与镉元素典型但非限制性的摩尔比例如可以为：1:95、1:96、1:97、1:98、1:99、1:100、1:101、1:102、1:103、1:104、或1:105。
作为本发明优选的实施方式，所述前驱液A的浓度为0.07-0.13mol/L。所述铟源包括In(Cl)3或In2(SO4)3；可选地，所述镉源包括Cd(Ac)2、Cd(Cl)2或CdSO4；优选地，所述第一溶剂包括乙醇或甲醇。
其中，前驱液A的浓度典型但非限制性的例如为：0.07mol/L、0.08mol/L、0.09mol/L、0.10mol/L、0.11mol/L、0.12mol/L或0.13mol/L。通过优化前驱液A的浓度以及铟源、镉源和第一溶剂，在连续离子层吸附反应法中能获得分别密度更大的In掺杂的硫化镉量子点。
作为本发明优选的实施方式，所述前驱液B的浓度为0.07-0.13mol/L；可选地，所述铜源包括Cu(Cl)3、Cu(Ac)2或CuSO4；所述第二溶剂包括乙醇或甲醇。其中，前驱液B的浓度典型但非限制性的例如为：0.07mol/L、0.08mol/L、0.09mol/L、0.10mol/L、0.11mol/L、0.12mol/L或0.13mol/L。通过优化前驱液B的浓度以及铟源、镉源和第二溶剂，在连续离子层吸附反应法中能获得分布密度更大的Cu掺杂的硫化镉量子点。
作为本发明优选的实施方式，所述阴离子前驱液的浓度为0.07-0.13mol/L；可选地，所述第三溶剂包括甲醇或乙醇。
作为本发明优选的实施方式，纳米孔柱硅片的制备方法包括用水热腐蚀法在P型硅片表面制备出柱状结构，得到纳米孔柱硅片。采用简单的水热腐蚀技术制备得到的纳米孔柱硅片具有优异的广谱光吸收特性，可以实现可见光区域平均积分反射率小于4％，同时可以省去专门制绒的流程，从而节约成本。
作为本发明优选的实施方式，所述水热腐蚀法包括以下步骤：对P型硅片进行清洗，清洗后放入水热反应釜中进行反应，反应结束后得到纳米孔柱硅片。利用水热反应釜进行反应，可以进一步控制反应速率。
作为本发明优选的实施方式，所述清洗包括利用RCA标准清洗法进行清洗。通过清洗可以去除硅片表面的有机物。
作为本发明优选的实施方式，反应釜中的腐蚀液包括：0.025-0.035mol/L的九水合硝酸铁、11-14mol/L的氢氟酸和去离子水，其中反应釜填充度为80％-87％；可选地，反应釜的反应温度为138-145℃，反应时间为40-47min；可选地，取出硅片后包括清洗的步骤，优选为用去离子水进行清洗。通过控制腐蚀液中的原料的浓度、反应温度和反应时间可以进一步控制得到的柱状结构中柱体的高度以及外径尺寸，从而降低反射率，提高入射率，同时提高电荷的传输通道，进而提高太阳能电池片的光伏特性。
作为本发明优选的实施方式，在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点后包括制备正负电极的步骤；可选地，利用真空蒸镀法或磁控溅射法制备正负电极；可选地，正电极包括铝膜；优选的，所述铝膜的厚度为550-650nm。
作为本发明优选的实施方式，负电极包括透明导电薄膜，优选为透明氧化铟锡导电薄膜(简称：ITO导电膜)或铝掺杂的氧化锌透明导电薄膜(简称：AZO导电膜)；可选地，所述透明导电薄膜的厚度为90-110nm。采用透明导电薄膜作为电极，可以在整个硅片的负极表面覆盖电极，便于电子的导出，减少太阳能电池的串并联电阻，同时增加入射面积，提高输出功率。
作为本发明优选的实施方式，将制备正负极后得到的太阳能电池片置于氩气氛围中并在350-450℃条件下退火0.5-1.5h。通过退火处理以消除正负电极与硅片间的结合应力，减少界面缺陷。
本发明的另一个方面提供了一种根据上述制备方法制备得到的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池。
实施例1
本实施例是一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤A)：纳米孔柱硅片的制备
a)用标准的RCA清洗流程在对P型重掺杂单晶硅片进行深度清洗，以去除表面有机污染物；b)将清洗后的硅片固定在样品架上，竖直放入水热反应釜中，在反应釜中注入配置好的腐蚀液(该腐蚀液由0.03mol/L的九水合硝酸铁、13mol/L的氢氟酸和去离子水组成)，反应釜填充度为85％；c)将水热釜升温到140℃，保温42分钟，之后取出腐蚀好的硅片，用去离子水反复冲洗后自然晾干，得到纳米孔柱硅片；
步骤B)：利用连续离子层吸附反应法制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点
a)：将In(Cl)3与Cd(Ac)2溶于乙醇中形成前驱液A，其中铟元素与镉元素的摩尔比为1:10；将Cu(Cl)3与Cd(Ac)2溶于乙醇中形成前驱液B，其中，铜元素与镉元素的摩尔比为1:100；将硫化铵溶于甲醇中形成阴离子前驱液；b)：先将纳米孔柱硅片置于前驱液A中浸渍5min，然后取出用乙醇溶液反复冲洗，并氮气吹干后置于阴离子前驱液中浸渍5min，之后取出再用甲醇溶液反复冲洗后，同样氮气吹干；该步骤循环重复进行4次；c)：将经过步骤b)处理后的纳米孔柱硅片置于前驱液B中浸渍5min，然后取出用乙醇溶液反复冲洗，并氮气吹干后置于阴离子前驱液中浸渍5min，之后取出再用甲醇溶液反复冲洗后，同样氮气吹干；该步骤循环重复进行4次，放入干燥箱100℃干燥30min，即在纳米孔柱硅片表面制备得到Cu和In掺杂的硫化镉量子点；d)：依次采用稀盐酸和饱和氢氧化钠溶液对生长有Cu和In共掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行腐蚀清洗，直至去除Cu和In掺杂的硫化镉量子点；
步骤C)：电极制备
利用真空蒸镀法在制备有Cu和In掺杂的硫化镉量子点的硅片的一侧沉积厚度为100nm的AZO透明导电薄膜作为负极，在硅片的另一侧(即去掉硼掺杂硫化镉纳米薄膜的一侧)沉积厚度为600nm的铝膜作为正极，之后放入氩气氛围中400℃退火1h，即得到硼掺杂硫化镉/硅纳米孔柱阵列太阳能电池。
利用上述方法制备得到的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的结构如图1所示，其中，P型硅片10表面有纳米孔柱20，纳米孔柱20表面沉积有硼掺杂硫化镉纳米薄膜，在硼掺杂硫化镉纳米薄膜一侧覆盖有透明导电薄膜30，在P型硅片的底部设有铝膜40。
实施例2
本实施例是一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤A)：纳米孔柱硅片的制备
a)用标准的RCA清洗流程在对P型重掺杂单晶硅片进行深度清洗，以去除表面有机污染物；b)将清洗后的硅片固定在样品架上，竖直放入水热反应釜中，在反应釜中注入配置好的腐蚀液(该腐蚀液由0.025mol/L的九水合硝酸铁、12mol/L的氢氟酸和去离子水组成)，反应釜填充度为81％；c)将水热釜升温到143℃，保温40分钟，之后取出腐蚀好的硅片，用去离子水反复冲洗后自然晾干，得到纳米孔柱硅片；
步骤B)：利用连续离子层吸附反应法制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点
a)：将In(Cl)3与Cd(Ac)2溶于乙醇中形成前驱液A，其中铟元素与镉元素的摩尔比为1:18；将Cu(Cl)3与Cd(Ac)2溶于乙醇中形成前驱液B，其中，铜元素与镉元素的摩尔比为1:92；将硫化铵溶于甲醇中形成阴离子前驱液；b)：先将纳米孔柱硅片置于前驱液A中浸渍4min，然后取出用乙醇溶液反复冲洗，并氮气吹干后置于阴离子前驱液中浸渍4min，之后取出再用甲醇溶液反复冲洗后，同样氮气吹干；该步骤循环重复进行6次；c)：将经过步骤b)处理后的纳米孔柱硅片置于前驱液B中浸渍4min，然后取出用乙醇溶液反复冲洗，并氮气吹干后置于阴离子前驱液中浸渍4min，之后取出再用甲醇溶液反复冲洗后，同样氮气吹干；该步骤循环重复进行6次，放入干燥箱100℃干燥30min，即在纳米孔柱硅片表面制备得到Cu和In掺杂的硫化镉量子点；d)：依次采用稀盐酸和饱和氢氧化钠溶液对生长有Cu和In共掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行腐蚀清洗，直至去除Cu和In掺杂的硫化镉量子点；
步骤C)：电极制备
利用真空蒸镀法在制备有Cu和In掺杂的硫化镉量子点的硅片的一侧沉积厚度为95nm的AZO透明导电薄膜作为负极，在硅片的另一侧(即去掉硼掺杂硫化镉纳米薄膜的一侧)沉积厚度为620nm的铝膜作为正极，之后放入氩气氛围中380℃退火1.5h，即得到硼掺杂硫化镉/硅纳米孔柱阵列太阳能电池。
实施例3
本实施例是一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤A)：纳米孔柱硅片的制备
a)用标准的RCA清洗流程在对P型重掺杂单晶硅片进行深度清洗，以去除表面有机污染物；b)将清洗后的硅片固定在样品架上，竖直放入水热反应釜中，在反应釜中注入配置好的腐蚀液(该腐蚀液由0.033mol/L的九水合硝酸铁、14mol/L的氢氟酸和去离子水组成)，反应釜填充度为87％；c)将水热釜升温到144℃，保温45分钟，之后取出腐蚀好的硅片，用去离子水反复冲洗后自然晾干，得到纳米孔柱硅片；
步骤B)：利用连续离子层吸附反应法制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点
a)：将In(Cl)3与Cd(Ac)2溶于乙醇中形成前驱液A，其中铟元素与镉元素的摩尔比为1:13；将Cu(Cl)3与Cd(Ac)2溶于乙醇中形成前驱液B，其中，铜元素与镉元素的摩尔比为1:104；将硫化铵溶于甲醇中形成阴离子前驱液；b)：先将纳米孔柱硅片置于前驱液A中浸渍6min，然后取出用乙醇溶液反复冲洗，并氮气吹干后置于阴离子前驱液中浸渍6min，之后取出再用甲醇溶液反复冲洗后，同样氮气吹干；该步骤循环重复进行3次；c)：将经过步骤b)处理后的纳米孔柱硅片置于前驱液B中浸渍6min，然后取出用乙醇溶液反复冲洗，并氮气吹干后置于阴离子前驱液中浸渍6min，之后取出再用甲醇溶液反复冲洗后，同样氮气吹干；该步骤循环重复进行3次，放入干燥箱100℃干燥30min，即在纳米孔柱硅片表面制备得到Cu和In掺杂的硫化镉量子点；d)：依次采用稀盐酸和饱和氢氧化钠溶液对生长有Cu和In共掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行腐蚀清洗，直至去除Cu和In掺杂的硫化镉量子点；
步骤C)：电极制备
利用真空蒸镀法在制备有Cu和In掺杂的硫化镉量子点的硅片的一侧沉积厚度为110nm的AZO透明导电薄膜作为负极，在硅片的另一侧(即去掉硼掺杂硫化镉纳米薄膜的一侧)沉积厚度为560nm的铝膜作为正极，之后放入氩气氛围中450℃退火0.8h，即得到硼掺杂硫化镉/硅纳米孔柱阵列太阳能电池。
对比例1
本对比例是一种铟掺杂硫化镉/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，该方法与实施例1的不同之处在于，该方法中是利用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面沉积得到铟掺杂硫化镉薄膜，形成铟掺杂硫化镉/硅纳米异质结，其具体制备过程如下：
a)首先将醋酸镉和氯化铟溶于去离子水中配置成阳离子前驱溶液，然后将硫化铵溶液溶于去离子水中配置成阴离子前驱溶液，反应时，阳离子前驱溶液和阴离子前驱溶液中都放入小磁子搅拌，搅拌速率为30次/s；
b)将基底纳米孔柱硅片放入阳离子前驱溶液中浸渍1min；取出后用去离子水冲洗1min，去除多余的阳离子；接着将吸附过阳离子的基底放入阴离子前驱溶液中浸渍1min，取出后同样用去离子水冲洗1min，此为一个反应过程；按上述步骤循环25次后取出用去离子水反复冲洗，自然晾干即在纳米孔柱硅片两个表面制备得到铟掺杂的硫化镉薄膜，得到具有铟掺杂硫化镉/硅纳米孔柱异质结的硅片；在高纯氩气氛围中500℃退火30分钟以提高铟掺杂硫化镉薄膜结晶质量；
c)利用稀盐酸对生长有铟掺杂硫化镉薄膜的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行多次清洗，去除其表面沉积的黄色硫化镉薄膜，直至表面变为黑色；然后，用热的饱和NaOH溶液去除其表面的纳米孔柱，直至表面颜色由黑色变为银灰色，即裸露出单晶硅；最后，用去离子水和无水酒精反复冲洗，去除表面残留NaOH溶液。
除上述不同之外，其余制备过程与实施例1相同。
对利用实施例1和对比例1提供的制备方法得到的太阳能电池进行性能检测，其中图2示出了硅、CdS:In和CdS:Cu三者的能级阶梯示意图，实施例1和对比例1的包括光学性能和光伏性能的对比结果见图3-图5所示。
从图2可知，CdS:In的能级介于硅和CdS:Cu之间，因此，硅、CdS:In和CdS:Cu能够形成阶梯式的能级结构，该能级阶梯更便于电子的传输，减少复合中心，从而提高太阳能电池的转换效率。
从图3可以看出，与对比例中单纯的In掺杂相比，实施例1中Cu和In掺杂硫化镉后吸收边红移(CdS:In的带隙2.33eV，CdS/CdS:In/CdS:Cu的带隙为2.28eV)，光吸收范围和强度增加，入射光利用率提高，光子捕获速率增加，有利于光电流密度和开路电压的增加。
从图4和图5可以看出，实施例1提供的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的短路电流密度为1.85mA/cm2，开路电压为0.43V，填充因子为0.38，能量转换效率为0.33％。而对比例1提供的铟掺杂硫化镉/硅纳米孔柱太阳能电池短路电流密度为0.020mA/cm2，开路电压为0.033V，填充因子为0.23，能量转换效率为0.014％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (26)
1.一种硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，包括用连续离子层吸附反应法在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的步骤；
制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点的方法包括以下步骤：
步骤a)：将铟源与镉源溶于第一溶剂中形成前驱液A，其中铟元素与镉元素的摩尔比为1:(8-13)；将铜源与镉源溶于第二溶剂中形成前驱液B，其中，铜元素与镉元素的摩尔比为1:(95-105)；将硫化铵溶于第三溶剂中形成阴离子前驱液；
步骤b)：先将纳米孔柱硅片置于前驱液A中浸渍4-6min，然后清洗干燥后置于阴离子前驱液中浸渍4-6min，之后再清洗干燥；该步骤循环重复进行3-6次；
步骤c)：将经过步骤b)处理后的纳米孔柱硅片置于前驱液B中浸渍4-6min，然后清洗干燥后置于阴离子前驱液中浸渍4-6min，之后再清洗干燥；该步骤循环重复进行3-6次，即在纳米孔柱硅片表面制备得到Cu和In掺杂的硫化镉量子点；
步骤d)：依次采用稀盐酸和饱和氢氧化钠溶液对生长有Cu和In共掺杂的硫化镉量子点的纳米孔柱硅片的任意一侧表面进行腐蚀清洗，直至去除Cu和In掺杂的硫化镉量子点。
2.根据权利要求1所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述前驱液A的浓度为0.07-0.13mol/L。
3.根据权利要求2所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述铟源包括In(Cl)3或In2(SO4)3。
4.根据权利要求2所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述镉源包括Cd(Ac)2、Cd(Cl)2或CdSO4。
5.根据权利要求2所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第一溶剂包括乙醇或甲醇。
6.根据权利要求1所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述前驱液B的浓度为0.07-0.13mol/L。
7.根据权利要求6所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述铜源包括Cu(Cl)3、Cu(Ac)2或CuSO4。
8.根据权利要求6所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第二溶剂包括乙醇或甲醇。
9.根据权利要求1所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述阴离子前驱液的浓度为0.07-0.13mol/L。
10.根据权利要求9所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述第三溶剂包括甲醇或乙醇。
11.根据权利要求1-10任一项所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，纳米孔柱硅片的制备方法包括用水热腐蚀法在P型硅片表面制备出柱状结构，得到纳米孔柱硅片。
12.根据权利要求11所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述水热腐蚀法包括以下步骤：对P型硅片进行清洗，清洗后放入水热反应釜中进行反应，反应结束后得到纳米孔柱硅片。
13.根据权利要求12所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述清洗包括利用RCA标准清洗法进行清洗。
14.根据权利要求12所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，反应釜中的腐蚀液包括：0.025-0.035mol/L的九水合硝酸铁、11-14mol/L的氢氟酸和去离子水，其中反应釜填充度为80％-87％。
15.根据权利要求12所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，反应釜的反应温度为138-145℃，反应时间为40-47min。
16.根据权利要求12所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，取出硅片后包括清洗的步骤。
17.根据权利要求16所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，取出硅片后用去离子水进行清洗。
18.根据权利要求1-10任一项所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，在纳米孔柱硅片表面制备Cu和In掺杂的硫化镉量子点后包括制备正负电极的步骤。
19.根据权利要求18所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，利用真空蒸镀法或磁控溅射法制备正负电极。
20.根据权利要求18所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，正电极包括铝膜。
21.根据权利要求20所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述铝膜的厚度为550-650nm。
22.根据权利要求18所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，负电极包括透明导电薄膜。
23.根据权利要求22所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，负电极为ITO导电膜或AZO导电膜。
24.根据权利要求22或23所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述透明导电薄膜的厚度为90-110nm。
25.根据权利要求18所述的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池的制备方法，其特征在于，将制备正负极后得到的太阳能电池片置于氩气氛围中并在350-450℃条件下退火0.5-1.5h。
26.一种根据权利要求1-25任一项所述的制备方法制备得到的硫化镉量子点/硅纳米孔柱太阳能电池。
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| CN103854870A (zh) * | 2012-11-29 | 2014-06-11 | 北京信息科技大学 | 铜铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法 |
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2017
- 2017-10-30 CN CN201711038218.6A patent/CN107785459B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103854870A (zh) * | 2012-11-29 | 2014-06-11 | 北京信息科技大学 | 铜铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 《ⅢA族元素掺杂的硫化镉Si纳米孔柱阵列的制备与光电特性研究》;闫玲玲;《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊）》;20151031;正文第1-105页，第5.1章 |
| 《Polycrystalline Si nanocorals/CdS quantum dots composited solar cell with efficient light harvesting and surface passivation》;Wuling Feng;《Chemical Physics Letters》;20140521;第608卷;第314-318页 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107785459A (zh) | 2018-03-09 |
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