CN109830605A - 一种双光电转换功能太阳能电池 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种双光电转换功能太阳能电池，该电池结构包括基底、透明导电层、二维有序阵列载流子传输层(n型/p型)、量子点层、钙钛矿光电转换层、载流子传输层(对应p型/n型)和导电电极。所述的双光电转换功能太阳能电池，其特征在于在二维有序阵列作为载流子传输层，量子点和钙钛矿有机金属卤化物作为双光电转换材料。量子点具有高消光系数、合成过程简单、量子限域效应，多激子效应，主要吸收可见光中短波段等优点，与钙钛矿卤化物材料的高消光系数、双载流子传输性质、长载流子传输距离、少缺陷态密度和可见光全波段吸收的优点相结合，提高光电转换性能，该结构制备工艺简单、价格低廉、具有更广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明专利涉及半导体光电子传感器件领域，特别涉及一种双光电转换功能太阳能电池。
背景技术
随着人类经济社会的发展，能源与环境问题日益突出，发展一种清洁、高效、低成本的可再生能源势在必行。太阳能作为一种清洁能源，对减少环境污染、延缓全球变暖等具有重要意义。太阳能电池是一种能直接把光能转变为电能的半导体器件，具有安全无污染、循环使用寿命长、拆卸方便等优点，被越来越多的领域研发应用，从通讯、航空、航天等高端市场到汽车、路灯、彩电、空调等日常用品，已逐步走向商品化、产业化。
传统的太阳能电池是基于纳米颗粒膜载流子传输层。虽然已获得了相对较高的光电转化效率，但是无序的纳米颗粒膜的随机分布，后续光电转换层填充不稳定，光生电子的复合问题严重，不利于电池性能的进一步提高。相比之下，具有高取向可控排列的二维有序阵列结构载流子传输层是优化光生电子复合的良好选择，并且可提供直接的电子传输路径，有利于改善电子的传输以及提高电子在导电基底的收集效率，从而进一步提高太阳能电池的效率(ACS Appl.Mater.Interfaces 2016,8,21358-213)。
量子点太阳能电池因其具有多种优秀的光电性能在太阳能转换方面得到了广泛的研究，无机半导体量子点有诸多优点，比如更高的消光系数、合成过程简单、更快的载流子分离和更好的稳定性，更吸引人的是其独特的量子限域效应，多激子效应，目前量子点太阳能电池认证效率已从12.75％(Advanced Materials,2018,30(11):1705746)达到16.6％。被广大研究者认为有很大的应用前景。
自2009年钙钛矿材料首次应用于光伏技术以来的短短几年时间，有机金属卤化物太阳能电池的光电转换效率突飞猛进已经由3.8％提升到23.7％。钙钛矿材料具有高光吸收系数、长的载流子传输距离、少缺陷态密度和可见光区全光谱吸收的优点，这为钙钛矿太阳能电池的商业化应用奠定了坚实的基础，吸引了各国政府的大力投入和广大科研工作者的密切关注。然而将量子点和钙钛矿双光电转换功能结合纳米线载流子传输基底，进一步提高光电转换效率的研究非常匮乏。
发明内容
本发明专利针对上述问题，目的是提供一种双光电转换功能太阳能电池，该种结构的太阳能电池在二维有序阵列作为载流子传输层，量子点和钙钛矿作为双光电转换材料。量子点具有高消光系数、合成过程简单、量子限域效应，多激子效应，主要吸收可见光中短波段的优点，与钙钛矿有机金属卤化物材料的高消光系数、双载流子传输性质、长载流子传输距离、少缺陷态密度和可见光全波段吸收的优点相结合，提高光电转换性能，该结构制备工艺简单、价格低廉、具有更广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明专利提供如下技术方案：一种双光电转换功能太阳能电池，包括自下而上依次顺序叠加的基底、透明导电层、二维有序阵列载流子传输层(n型/p型)、量子点层、钙钛矿光电转换层、载流子传输层(对应p型/n型)和导电电极。
优选的是，所述二维有序阵列载流子传输层(n型/p型)的厚度为20nm-5μm。
优选的是，所述二维有序阵列载流子传输层(n型/p型)为氧化锌ZnO、氧化锡SnO2、二氧化钛TiO2、氧化锆ZrO2、三氧化钨WO3、氧化镍NiOn和氧化铁FeOn中的一种或多种，其中0≤n≤5。
优选的是，所述量子点层的制备方法为刮涂法，真空浇注法，连续离子旋涂法，蒸镀法或浸泡提拉法。
优选的是，所述量子点的粒径为2nm-50nm。
优选的是，所述量子点材料I(II)B-III(IV)A-VIA族化合物Cu2ZnSnS4、ZnCuIn(Ga)S(Se)、以及CdSexTe1-x、ZnxCd1-xSe(S)、CuInxGa1-xS2(其中0<x<1)及其碳量子点等无机半导体中的一种或多种。
优选的是，所述钙钛矿光电转换层的厚度为100nm-2μm。
优选的是，所述钙钛矿光电转换层为ABX3型钙钛矿，钙钛矿中A为甲胺离子CH3NH3 +,、甲脒离子CH(NH2)2 +、1-萘甲基铵离子NMA+、乙基胺离子CH3CH2NH3 +、丙基胺离子CH3CH2CH2NH3 +、丙基胺离子CH3CH2CH2NH3 +、丁基胺离CH3CH2CH2CH2NH3 +、乙二胺胺离子(CH2NH3)2 +、异丁基胺离子CH(CH3)2CH2NH3 +、叔丁基胺离子C(CH3)3NH3 +、苯甲基胺离子C6H5CH2NH3 +、铯离子Cs+和铷离子Rb+中一种或多种，B为铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、锗离子Ge2+、镓离子Ga2+和铋离子Bi3+中一种或多种，X为氯离子Cl-、溴离子Br-和碘离子I-中一种或多种。
本发明专利至少包括以下有益效果：在二维有序阵列(n型/p型)作为载流子传输层，量子点和卤化物钙钛矿作为双光电转换材料。量子点具有高消光系数、合成过程简单、量子限域效应，多激子效应，主要吸收可见光中短波段的优点，与钙钛矿材料的高消光系数、双载流子传输性质、长载流子传输距离、少缺陷态密度和可见光全波段吸收的优点相结合，提高光电转换性能，该结构制备工艺简单、价格低廉、具有更广阔的应用前景。
本发明专利的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明专利的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1本发明提供的一种双光电转换功能太阳能电池结构示意图；
图中：1、基底；2、透明导电层；3、二维有序阵列载流子传输层(n型/p型)；4、量子点层；5、钙钛矿光电转换层；6、载流子传输层(对应p型/n型)；7、导电电极；
图2本发明提供的铜镓硫复合二氧化钛纳米棒(TiO2NR@CuGaS2)和二氧化钛纳米棒(TiO2NR)的紫外吸收对比示意图，插图为波长为525nm到625nm的紫外吸收对比图；
图3为本发明提供的在TiO2NR上所做钙钛矿太阳能电池的效率示意图；
图4为本发明提供的TiO2NR的正面及侧面SEM图；
具体实施方式
下面将结合本发明专利实施例中的附图，对本发明专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明专利一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明专利保护的范围。
实施例1：
该太阳能电池的制备过程为：(1)在透明导电玻璃上采用旋涂法旋涂TiO2种子层，高速2000r/min旋涂完毕后将基片在马弗炉中450℃煅烧；(2)水热法制备TiO2纳米棒，在水和浓盐酸等体积比的混合液中加入适量钛酸四丁酯，搅拌形成溶胶转移至的聚四氟乙烯反应釜中，置于170℃烘箱中水热反应90min，随后常温自然干燥后，置于300℃马弗炉中煅烧；(3)将基片置于四氯化钛水溶液中处理，吹干于马弗炉中500℃煅烧；(4)通过连续离子旋涂法制备量子点层，将GaCl3、CuCl2、Na2S按浓度比为1:1:2的比例配成溶液，依次顺序旋涂于基片上，循环操作上述旋涂过程数次，于S气氛下450℃煅烧；(5)在手套箱中采用旋涂法制备钙钛矿，优选CsFAMAPbI3-xBrx，旋涂钙钛矿溶液时用苯甲醚冲洗，于110℃加热板上退火20min；(6)旋涂制备上层载流子吸收层(Spiro-OMeTAD)并氧化12小时。(7)蒸镀导电电极，优选Ag电极，完成器件的制备。二氧化钛纳米线掺杂量子点后的紫外可见吸收数据见图2。
实施例2：
该太阳能电池的制备过程除去实施例1的第4步的量子点制备过程，其余均相同。二氧化钛纳米线正面和断面扫描电镜照片，以及电池光电转换效率数据分别见图3和图4。
在二维有序阵列(n型/p型)作为载流子传输层，量子点和卤化物钙钛矿作为双光电转换材料。量子点具有高消光系数、合成过程简单、量子限域效应，多激子效应，主要吸收可见光中短波段的优点，与钙钛矿材料的高消光系数、双载流子传输性质、长载流子传输距离、少缺陷态密度和可见光全波段吸收的优点相结合，提高光电转换性能，该结构制备工艺简单、价格低廉、具有更广阔的应用前景。
尽管本发明专利的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明专利的领域，对于熟悉本领域的人员而言，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明专利的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明专利并不限于特定的细节和这里示出与描述的图。
Claims (8)
1.一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：包括自下而上依次顺序叠加的基底、透明导电层、二维有序阵列载流子传输层、量子点层、钙钛矿光电转换层、载流子传输层和导电电极。
2.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述二维有序阵列载流子传输层的厚度为20nm-5μm，二维有序阵列载流子传输层为n型/p型。
3.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述二维有序阵列载流子传输层为氧化锌ZnO、氧化锡SnO2、二氧化钛TiO2、氧化锆ZrO2、三氧化钨WO3、氧化镍NiOn和氧化铁FeOn中的一种或多种，其中0≤n≤5，二维有序阵列载流子传输层n型/p型)。
4.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述量子点层的制备方法为刮涂法、真空浇注法、连续离子旋涂法、蒸镀法或浸泡提拉法。
5.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述量子点层的粒径为2nm-50nm。
6.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述量子点层材料为I(II)B-III(IV)A-VIA族化合物，I(II)B-III(IV)A-VIA族化合物为Cu2ZnSnS4、ZnCuIn(Ga)S(Se)、CdSexTe1-x、ZnxCd1-xSe(S)、CuInxGa1-xS2(其中0<x<1)及其碳量子点中的一种或多种，所述CuInxGa1-xS2中0<x<1。
7.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿光电转换层的厚度为100nm-2μm。
8.如权利要求1所述的一种双光电转换功能太阳能电池，其特征在于：所述钙钛矿光电转换层为ABX3型钙钛矿，钙钛矿中A为甲胺离子CH3NH3 +,、甲脒离子CH(NH2)2 +、1-萘甲基铵离子NMA+、乙基胺离子CH3CH2NH3 +、丙基胺离子CH3CH2CH2NH3 +、丙基胺离子CH3CH2CH2NH3 +、丁基胺离子CH3CH2CH2CH2NH3 +、乙二胺胺离子(CH2NH3)2 +、异丁基胺离子CH(CH3)2CH2NH3 +、叔丁基胺离子C(CH3)3NH3 +、苯甲基胺离子C6H5CH2NH3 +、铯离子Cs+和铷离子Rb+中一种或多种，B为铅离子Pb2+、锡离子Sn2+、锗离子Ge2+、镓离子Ga2+和铋Bi3+中一种或多种，X为氯离子Cl-、溴离子Br-和碘离子I-中一种或多种。
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