CN109950330A - 一种CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及太阳能电池领域内一种CsPbBr3量子点‑硅基复合结构太阳能电池，包括硅基太阳能电池和涂覆于硅电池片表面的CsPbBr3量子点薄膜，所述CsPbBr3量子点薄膜的厚度为20～25nm。本发明的CsPbBr3量子点‑硅基复合结构太阳能电池，用旋涂方法在硅基太阳能电池表面制备CsPbBr3胶体量子点薄膜，形成CsPbBr3量子点‑硅基复合结构太阳能电池，使硅基太阳能电池表面形成荧光下转移层，相比传统的Ⅱ‑Ⅵ族化合物量子点下转移材料，CsPbBr3量子点具有吸收截面大、光吸收率高的优点，只需旋涂单层薄膜即可增强电池的短波响应以及光伏特性，避免了下转移层厚度过大导致串联电阻增大的不利影响，同时成膜参数可控，复合结构电池表面反射率降低，短波响应增强的同时长波响应也有增加，短路电流增大，电池的光电转换效率升高。

Description

一种CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池
技术领域
本发明涉及太阳能电池领域，特别涉及一种提高电池的光电转换效率的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池。
背景技术
现有技术中，对硅基太阳电池研究的关键问题就是如何在保持制作成本没有大幅增加的条件下，实现高效率的光电转换。其中，引入新型材料与传统硅基光伏器件构成纳米复合结构，被认为是一种拓宽电池的光谱响应波长范围，从而获得高效率低成本的新一代硅基太阳能电池的有效途径，也是当前国际上的研究前沿和热点问题之一。传统硅基太阳能电池，由于存在着热弛豫损失，有效响应光谱仅在500-1000nm范围，太阳光中的近紫外光子能量不能被充分吸收利用。
在电池表面引入具有下转移特性的量子点材料，被认为是一种提高短波长处的外量子效率，拓宽响应光谱范围的有效途径。下转移是指材料吸收一个短波长高能量光子而发射出长波长低能量光子的过程，具有下转移特性的荧光材料吸收太阳光谱中的紫外-近紫外光，发射出可见波段的光，恰好对应于硅基太阳能电池响应较强区域，这种光谱转移特性弥补了硅基太阳能电池紫外光损失的缺陷。常见下转移材料是镉基化合物半导体量子点(CdS、CdSe等)，在实际应用中为了保证量子点材料性质的稳定，一般采用厚核壳结构，制备工艺复杂，未来产业化可能面临价格、成本、环境问题等挑战。另一方面，如何实现下转移材料的高效利用，也是光伏领域一个技术难题。
发明内容
本发明针对现有技术中太阳能电池下转移材料应用中存在的上述问题，提供一种在硅基太阳能电池表面涂覆CsPbBr3量子点下转移层，以提高电池短波长范围的光谱响应，同时改进减反射效果，同时提高电池长波长范围的光谱响应，从而提高电池的光电转换效率。
本发明的目的是这样实现的，一种CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，包括硅基太阳能电池和涂覆于电池硅片表面的CsPbBr3量子点薄膜，所述CsPbBr3量子点薄膜的厚度为20～50nm。
本发明的CsPbBr3量子点薄膜的CsPbBr3胶体量子点墨水通过如下步骤制得：
（1）将Cs2CO3固体与油酸和十八烯混合，在真空条件加热干燥，然后在氮气保护下加热至Cs2CO3完全反应，在氮气保护下自然冷却至室温，制备铯油酸盐前驱液；
（2）将粉末状固体PbBr2与十八烯混合，真空干燥后通氮气，注入经无水硫酸钠干燥过的油胺和油酸待PbBr2完全溶解后升温并快速注入步骤1制得的铯油酸盐前驱液，进行反应，然后用冰水浴冷却至室温，制得CsPbBr3胶体量子点；
（3）将步骤（2）制得的CsPbBr3胶体量子点 于离心分离机中以18000-20000r/min转速离心沉淀，去除上层清液，取沉淀加入有机溶剂，重新溶解得到浓度为1.5～2.5/mL的CsPbBr3胶体量子点墨水。
进一步地，所述CsPbBr3量子点薄膜通过旋涂机旋涂。
进一步地，所述步骤（1）中Cs2CO3与油酸的物质的量之比为1:（2～3）；所述Cs2CO3在混合溶液中的物质的量浓度为0.07～0.08mol/L。
进一步地，所述步骤（1）中真空加热干燥温度为110～120℃，干燥时间为1小时；氮气保护下加热反应的温度145～155℃，反应时间为30分钟。
进一步地，所述步骤（2）中，PbBr2在混合溶液中的物质的量浓度为0.02~0.03mol/L；所述油胺和油酸的体积百分含量均为7%~10%；加入铯油酸盐前驱液的体积百分比为5%～8%。
进一步地，所述步骤（2）中注入铯油酸盐前驱液之前，将混合液预热至90～100℃。
进一步地，所述步骤（2）PbBr2与十八烯混合后，真空干燥过程中的干燥温度为110～120℃，时间为1小时；注入前驱液后反应温度为170～180℃，反应时间为1～2分钟。
进一步地，所述步骤（3）中有机溶剂为无水甲苯或正己烷。
进一步地，旋涂CsPbBr3量子点薄膜过程，按1cm*1cm的衬底用10～12μL的用量配置浓度为1.5mg～2.5/mL的CsPbBr3胶体量子点墨水，旋涂过程依次包括低速段和高速段，所述低速段的转速为1000r/s，时间为10s；所述高速段的转速为3000r/s，时间为60s，旋涂薄膜厚度为20～25nm。
本发明的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，用旋涂方法在硅基太阳能电池表面制备CsPbBr3量子点薄膜，形成CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，使硅基太阳能电池表面形成荧光下转移层，相比传统的Ⅱ-Ⅵ族化合物量子点下转移材料，CsPbBr3量子点具有吸收截面大、光吸收率高的优点，只需旋涂单层薄膜即可增强电池的短波响应以及光伏特性，避免了下转移层厚度过大导致串联电阻增大的不利影响，同时成膜参数可控，复合结构电池表面反射率降低，短波长处外量子效率显著增加，短路电流增大，电池的光电转换效率升高。
附图说明
图1中本发明的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池合成原理图。
图2为CsPbBr3量子点-硅基太阳能电池的截面扫描电镜(SEM)图。
图3a为CsPbBr3胶体量子点的透射电镜（TEM）图。
图3b CsPbBr3胶体量子点的X射线衍射(XRD)图。
图4为CsPbBr3胶体量子点的光吸收和光致发光谱图。
图5为硅基太阳能电池与旋涂CsPbBr3量子点后电池表面的反射谱图。
图6为硅基太阳能电池与旋涂CsPbBr3量子点后电池的外量子效率（EQE）谱图。
图7为硅基太阳能电池与旋涂CsPbBr3量子点后电池的电流密度-电压(J-V)曲线。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示为本发明的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池的合成工艺本过程，本实施例中，首先制备施涂于太阳能电池硅基片表面的CsPbBr3胶体量子点：具体过程为：在真空条件下，将Cs2CO3（99.9%）固体0.8g与油酸（90%）2.5mL和十八烯(90%)30mL置于三口烧瓶中，加热120°C干燥1小时；然后通氮气，在氮气保护下升温至150°C加热至Cs2CO3完全反应，在氮气保护下自然冷却至室温，完成铯油酸盐前驱液的制备；取前驱液0.9mL预加热至100°C使其完全溶解；接着将十八烯(90%)10mL和PbBr2（99.999%）固体0.138g置于另一只三口烧瓶中，并真空下120°C干燥1小时；然后向三口烧瓶中通氮气，注入经无水硫酸钠干燥过的油胺（90%）和油酸（90%）各1mL，待PbBr2完全溶解后快速注入已经预热至100°C铯油酸盐前驱液混合均匀后升温至180°C，1分钟后用冰水浴冷却至室温制得CsPbBr3胶体量子点溶液；将前述CsPbBr3胶体量子点溶液置于离心机中，以18000r/min转速离心沉淀，去除上层清液，取沉淀加入无水甲苯2mL，重新溶解，得到本实施例的CsPbBr3胶体量子点墨水，溶液浓度2mg/mL。
取上述CsPbBr3胶体量子点溶液按1cm*1cm的衬底用10μL的用量旋涂于硅基太阳能电池表面，旋涂包括低速段和高速段，低速段的转速为1000r/min，时间为10s，使溶液附着于基底表面；高速段的转速为3000r/min，时间为60s。经两次旋涂成膜后即得本实施例的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，如图2为旋涂CsPbBr3量子点后电池结构的截面扫描电子显微镜照片，旋涂的薄膜厚度为21nm。
如图3a所示为本实施例的中制备的CsPbBr3胶体量子点墨水的X射线衍射(XRD)测试图谱，结果显示，此方法制备的是立方相晶格结构的CsPbBr3量子点。相比于室温下合成得到的四方相晶格结构，CsPbBr3量子点的立方相晶格结构来自于更高的化学合成温度和更高的量子点表面能共同作用的结果。同时，立方晶格结构的CsPbBr3量子点具有更大的光学带隙，可以满足硅基太阳能电池荧光下转移材料的应用需求。图3b为本实施例的CsPbBr3胶体量子点墨水的透射电子显微镜照片，呈现了CsPbBr3量子点的微观形貌，量子点呈方形颗粒状，平均尺寸为10nm，尺寸分布较为均一，这样的量子点发光将具有很高的单色性，发光的量子效率也会更高。
图4是CsPbBr3胶体量子点的吸收光谱和375nm激光激发下的光致发光（PL）谱，可以看到CsPbBr3胶体量子点的光吸收在300nm-500nm范围，在515nm附近有一个半高宽较窄、强度很高的发光峰，说明量子点光致发光的单色性较好。而发光峰位恰好对应于硅基太阳能电池响应较强区域；通过积分球测量，CsPbBr3胶体量子点光致发光的量子效率高达85%，因此，CsPbBr3胶体量子点是一种优异的荧光下转移材料。
将本实施例中上述旋涂CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池硅片和旋涂前的太阳能电池硅片分别通过光谱分析仪进行反射光谱分析测量，如图5所示，是旋涂CsPbBr3胶体量子点薄膜前后硅基太阳能电池的反射谱，可以看出，旋涂CsPbBr3胶体量子点薄膜后电池在300nm-400nm和600nm-1000nm波长范围内的反射率降低。
图6是旋涂CsPbBr3量子点薄膜前后硅基太阳能电池片的外量子效率(EQE)谱,可以看出,相比于硅基太阳能电池原始样品，旋涂CsPbBr3量子点薄膜后电池在300nm-500nm波长范围内外量子效率提高了15%，这一波段范围内电池光响应的提升主要由CsPbBr3量子点的下转移效应所致；而在700nm-1000nm波长范围内外量子效率提高了5%，这一波段范围内电池光响应的提升主要由CsPbBr3胶体量子点薄膜的减反射效应所致。
图7是旋涂CsPbBr3量子点薄膜前后硅基太阳能电池的电流密度-电压(J-V)曲线。可以看出，硅基太阳能电池的开路电压为0.61V，旋涂CsPbBr3量子点薄膜后开路电压基本没有变化，而短路电流密度旋涂后由36.1mA/cm2增加到37.2 mA/cm2， 同时电池的填充因子FF也有提高，电池的光电转换效率提升6％。
因此，本发明的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，CsPbBr3薄膜层使硅基太阳能电池表面形成荧光下转移层，相比传统的Ⅱ-Ⅵ族化合物量子点下转移材料，CsPbBr3量子点具有吸收截面大、光吸收率高的优点，本发明中，只旋涂单层薄膜即使电池的短波响应以及光伏特性增强，避免了下转移层厚度过大导致串联电阻增大的不利影响，同时成膜参数可控，复合结构电池表面反射率降低，短波长处外量子效率显著增加，短路电流增大，电池的光电转换效率升高。

Claims (10)

1.一种CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，包括硅基太阳能电池和涂覆于硅电池片表面的CsPbBr3量子点薄膜，所述CsPbBr3量子点薄膜的厚度为20～25nm。
2.根据权利要求1所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述CsPbBr3量子点薄膜的CsPbBr3胶体量子点墨水通过如下步骤制得：
（1）将Cs2CO3固体与油酸和十八烯混合，在真空条件加热干燥，然后在氮气保护下加热至Cs2CO3完全反应，在氮气保护下自然冷却至室温，制备铯油酸盐前驱液；
（2）将粉末状固体PbBr2与十八烯混合，真空干燥后通氮气，注入经无水硫酸钠干燥过的油胺和油酸待PbBr2完全溶解后升温并快速注入步骤1制得的铯油酸盐前驱液，进行反应，然后用冰水浴冷却至室温，制得CsPbBr3胶体量子点溶液；
（3）将步骤（2）制得的CsPbBr3胶体量子点溶液于离心分离机中以18000～20000r/min转速离心沉淀，去除上层清液，取沉淀层加入有机溶剂，重新溶解得到浓度为1.5～2.5 mg/mL的CsPbBr3胶体量子点墨水。
3.根据权利要求1所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述CsPbBr3量子点薄膜通过旋涂机旋涂。
4.根据权利要求2所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述步骤（1）中Cs2CO3与油酸的物质的量之比为1:（2～3）；所述Cs2CO3在混合溶液中的物质的量浓度为0.07～0.08mol/L。
5.根据权利要求2所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述步骤（1）中真空加热干燥温度为110～120℃，干燥时间为1小时；氮气保护下加热反应的温度145～155℃，反应时间为30分钟。
6.根据权利要求2所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述步骤（2）中，PbBr2在混合溶液中的物质的量浓度为0.02～0.03mol/L；所述油胺和油酸的体积百分含量均为7%~10%；加入铯油酸盐前驱液的体积百分比为5%～8%。
7.根据权利要求2所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述步骤（2）中注入铯油酸盐前驱液之前，将混合液预热至90～100℃。
8.根据权利要求2所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述步骤（2）中，PbBr2与十八烯混合后，真空干燥过程中的干燥温度为110～120℃，时间为1小时；注入前驱液后反应温度为170～180℃，反应时间为1～2分钟。
9.根据权利要求2所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，所述步骤（3）中有机溶剂为无水甲苯或正己烷。
10. 根据权利要求3所述的CsPbBr3量子点-硅基复合结构太阳能电池，其特征在于，旋涂CsPbBr3量子点薄膜过程中，按1cm*1cm的硅片衬底配10～12μL的用量配置浓度为1.5～2.5 mg/mL的CsPbBr3胶体量子点墨水，旋涂过程依次包括低速段和高速段，所述低速段的转速为1000r/ min，时间为10s；所述高速段的转速为3000r/min，时间为60s，旋涂薄膜厚度为20～25nm。
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