CN112786794A - 一种硫化铅量子点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铅量子点太阳能电池及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：S1：在导电玻璃基底上制备电子传输层；S2：在电子传输层上采用一步旋涂法制备量子点吸光层；S3：在量子点吸光层上采用旋涂法制备空穴传输层；S4：在空穴传输层上采用蒸镀法沉积金属电极，本发明采用一步法制备量子点太阳能电池的吸光层，以获得高性能硫化铅量子点太阳能电池。

Description

一种硫化铅量子点太阳能电池及其制备方法
【技术领域】
本发明涉及太阳能电池制备技术领域，尤其涉及一种硫化铅量子点太阳能电池及其制备方法。
【背景技术】
量子点太阳能电池具有禁带宽度可调、多激子效应、化学稳定性好等优点，有巨大发展潜力。为提升电池性能，量子点太阳能电池制备过程中一般会采用配体交换对量子点进行表面处理。常用的逐层旋涂法每一层的制备包括量子点薄层旋涂、配体溶液旋涂、清洗过量配体等步骤，需要重复多次，这种方法存在过程繁琐、配体交换效率不高以及大量材料耗费等缺陷。
因此，有必要研究一种硫化铅量子点太阳能电池及其制备方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种硫化铅量子点太阳能电池及其制备方法，采用一步法制备量子点太阳能电池的吸光层，以获得高性能硫化铅量子点太阳能电池。
一方面，本发明提供一种硫化铅量子点太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
S1：在导电玻璃基底上制备电子传输层；
S2：在电子传输层上采用一步旋涂法制备量子点吸光层；
S3：在量子点吸光层上采用旋涂法制备空穴传输层；
S4：在空穴传输层上采用蒸镀法沉积金属电极。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2具体中旋涂的硫化铅量子点通过一步法进行配体交换，配体交换步骤具体包括：
S21：将附着有第一配体的硫化铅量子点溶液滴加到含有第二配体的溶液中；
S22：第二配体置换第一配体完成配体交换，用清洗试剂去除过量第二配体及置换下的第一配体，清洗过程重复2-3次；
S23：对附着有第二配体的硫化铅量子点提纯；
S24：将提纯后的附着有第二配体的硫化铅量子点分散到溶剂中完成吸光层材料的制备。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3具体为：在量子点吸光层上旋涂空穴传输层，包括但不限于附着有第三配体的硫化铅材料。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S21中第一配体为长链配体，包括但不限于油酸OA。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S1中所述导电玻璃基底为氧化铟锡ITO或氟代氧化锡FTO。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，S1中所述电子传输层材料包括但不限于二氧化钛TiO2、二氧化锡SnO2、氧化锌ZnO或硫化锌ZnS。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述吸光层材料为附着有第二配体的硫化铅，所述第二配体包括但不限于醇类(如1,2-乙烷硫醇EDT和聚乙二醇PEG)、铵盐聚合物(如四丁基碘化铵TBAI)、胺类(如聚醚酰亚胺PEI和聚乙氧基乙烯亚胺PEIE)、咪唑类(如1-乙基-3-甲基碘化咪唑EMII)和卤化离子(如Br-、I-)。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述空穴传输层材料包括但不限于附着有第三配体的硫化铅，所述第三配体包括但不限于醇类(如1,2-乙烷硫醇EDT和聚乙二醇PEG)、铵盐聚合物(如四丁基碘化铵TBAI)、胺类(如聚醚酰亚胺PEI和聚乙氧基乙烯亚胺PEIE)、咪唑类(如1-乙基-3-甲基碘化咪唑EMII)和卤化离子(如Br-、I-)。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提一种硫化铅量子点太阳能电池，所述硫化铅量子点太阳能电池由导电玻璃、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属电极依次设置组成，其中金属电极为阳极，导电玻璃为阴极。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述的金属阳极材料包括但不限于MoOx/Ag、MoOx/Al和Au。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：
1)本发明采用一步法制备量子点太阳能电池的吸光层，以获得高性能硫化铅量子点太阳能电池；
2)本发明提供的硫化铅量子点太阳能电池吸光层的材料硫化铅通过一步法经含有第二配体的溶液处理，置换原本硫化铅上附着的第一配体，有效去除吸光层中的长链配体，增加吸光层的电荷传输性能，降低吸光层的电荷复合效应，从而提高了电池的光电转换效率；
3)本发明所提供的硫化铅量子点电池具有效率优异、稳定性好、易于制备等特点，且相比于通过逐层旋涂进行配体交换制备吸光层的方法，一步法大大简化操作流程，提高了配体交换效率，同时减少材料的消耗。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一步法制备电子传输层和空穴传输层的流程图；
图2是本发明一个实施例提供的硫化铅量子点电池结构图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提供一种硫化铅量子点太阳能电池及其制备方法。采用一步法制备量子点太阳能电池的吸光层，以获得高性能硫化铅量子点太阳能电池。本发明提供的硫化铅量子点太阳能电池吸光层的材料PbS通过一步法经含有第二配体的溶液处理，置换原本PbS上附着的第一配体，有效去除吸光层中的长链配体，增加吸光层的电荷传输性能，降低吸光层的电荷复合效应，从而提高了电池的光电转换效率。本发明所提供的硫化铅量子点电池具有效率优异、稳定性好、易于制备等特点，且相比于通过逐层旋涂进行配体交换制备吸光层的方法，一步法大大简化操作流程，提高了配体交换效率，同时减少材料的消耗。
具体地，本发明所述方法步骤如下：
(1)在导电玻璃基底上制备电子传输层；
(2)在电子传输层上采用旋涂法制备硫化铅量子点吸光层，旋涂转速为2000-5000rpm，时长为10-30s，得到的吸光层厚度与量子点溶液浓度有关。旋涂前硫化铅量子点已通过一步法进行配体交换，其步骤为：将附着有第一配体的硫化铅量子点溶液滴加到含有第二配体的溶液中，第二配体置换第一配体完成配体交换，用清洗试剂去除过量第二配体溶液，反复2-3次，之后对附着有第二配体的硫化铅量子点提纯再分散到溶剂中完成吸光层材料的制备；
(3)在吸光层上旋涂附着有第三配体的硫化铅空穴传输层；
(4)在空穴传输层上采用蒸镀法沉积金属电极。最后得到一种硫化铅量子点太阳能电池。
如图1所示，为本发明中一步旋涂法制备量子点吸光层和空穴传输层
，图中A为附着有第一配体的硫化铅量子点溶液；B为含有第二配体的溶液；C为附着有第二配体的硫化铅量子点溶液。流程图的步骤依次为：步骤a表示将附着有第一配体的硫化铅量子点溶液滴加到含有第二配体的溶液中，充分搅拌后静置，配体交换完成，溶液分层，即步骤b.所示溶液。去除上清液，剩余混合物用清洗试剂去除多余配体，清洗步骤重复2-3次，真空干燥后再分散到溶剂中，得到附着有第二配体的硫化铅量子点溶液，即步骤c所示溶液。步骤d为硫化铅量子点太阳能电池的制备过程，电池结构如图2所示，以导电玻璃为基底，逐层制备。
所述的第一配体为长链配体，一般为油酸OA。所述的导电玻璃基底为氧化铟锡ITO或氟代氧化锡FTO。所述的电子传输层材料为二氧化钛TiO2、二氧化锡SnO2、氧化锌ZnO和硫化锌ZnS等但不限于此。所述的吸光层材料和空穴传输层材料分别为附着有第二配体和第三配体的硫化铅，第二配体和第三配体为醇类(如1,2-乙烷硫醇EDT和聚乙二醇PEG)、铵盐聚合物(如四丁基碘化铵TBAI)、胺类(如聚醚酰亚胺PEI和聚乙氧基乙烯亚胺PEIE)、咪唑类(如1-乙基-3-甲基碘化咪唑EMII)和卤化离子(如Br-、I-)等但不限于此。所述的金属阳极材料为MoOx/Ag、MoOx/Al或Au等但不限于此。
实施例1
1、带有第一配体的硫化铅制备：6mmol的氧化铅PbO和15mmol的油酸OA溶解在50mL的1-十八烯中。混合溶液抽真空20min后加热到100℃并保持状态2h，该过程中持续搅拌。铅前驱体油酸铅制备完成，并在氮气流下冷却。630μl的六甲基二硅硫烷TMS加入到10mL温度为80℃的1-十八烯中制备硫前驱体，此时油酸铅溶液温度下降为90℃。当油酸铅温度为85℃时，将硫前驱体溶液迅速注入其中，过程中保持搅拌。带有长链油酸配体的硫化铅(硫化铅量子点原溶液)制备完成。
2、配体交换获得带有第二配体的硫化铅：将20mL的二甲基甲酰胺DMF，0.1mol/L的碘化铅PbI2，0.04mol/L的溴化铅PbBr2和0.06mol/L的醋酸胺混合，在20℃的氮气环境下搅拌24h，第二配体溶液制备完成。硫化铅量子点原溶液组成为2.5mL的硫化铅量子点溶于10mL的辛烷中。硫化铅量子点原溶液滴加到20mL的第二配体溶液中并搅拌2-5min。静置1-2min，待溶液分层后，配体交换完成。去除上清液，用辛烷分三次清洗剩余混合物以去除多余的未附着配体。处理后的溶液与12mL的甲苯混合，4000转/min的速度离心3min，得到硫化铅量子点沉淀物。后将硫化铅量子点溶液真空干燥，重新分散在胺溶液(丁胺、戊胺、己胺体积比为10:3:2)中备用。带有短链第二配体的硫化铅量子点制备完成。
3、硫化铅量子点太阳能电池的制备：导电玻璃FTO依次用纯水、丙酮和乙醇超声清洗后干燥。导电玻璃经紫外臭氧清洗后，在其上依次旋涂TiO2电子传输层(厚度约50nm)、带有第二配体的硫化铅量子点光吸收层(厚度约300nm)、带有第三配体的硫化铅量子点空穴传输层(厚度约50nm)，最后在上面蒸镀一层100nm厚的Au电极。
以上对本申请实施例所提供的一种硫化铅量子点太阳能电池及其制备方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种硫化铅量子点太阳能电池制备方法，其特征在于，制备方法包括以下步骤：
S1：在导电玻璃基底上制备电子传输层；
S2：在电子传输层上采用一步旋涂法制备量子点吸光层；
S3：在量子点吸光层上采用旋涂法制备空穴传输层；
S4：在空穴传输层上采用蒸镀法沉积金属电极。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S2具体中旋涂的硫化铅量子点通过一步法进行配体交换，配体交换步骤具体包括：
S21：将附着有第一配体的硫化铅量子点溶液滴加到含有第二配体的溶液中；
S22：第二配体置换第一配体完成配体交换，用清洗试剂去除过量第二配体及置换下的第一配体，清洗过程重复2-3次；
S23：对附着有第二配体的硫化铅量子点提纯；
S24：将提纯后的附着有第二配体的硫化铅量子点分散到溶剂中完成吸光层材料的制备。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述S3具体为：在量子点吸光层上旋涂空穴传输层，包括但不限于附着有第三配体的硫化铅材料。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述S21中第一配体为长链配体，包括但不限于油酸OA。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中所述导电玻璃基底为氧化铟锡ITO或氟代氧化锡FTO。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，S1中所述电子传输层材料包括但不限于二氧化钛TiO2、二氧化锡SnO2、氧化锌ZnO或硫化锌ZnS。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述吸光层材料为附着有第二配体的硫化铅，所述第二配体包括但不限于醇类、铵盐聚合物、咪唑类和卤化离子纳米。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述空穴传输层材料包括但不限于附着有第三配体的硫化铅，所述第三配体包括但不限于醇类、铵盐聚合物、胺类、咪唑类和卤化离子。
9.一种硫化铅量子点太阳能电池，基于上述权利要求1-8之一所述的制备方法制备而成，其特征在于，所述硫化铅量子点太阳能电池由导电玻璃、电子传输层、光吸收层、空穴传输层和金属电极依次设置组成，其中金属电极为阳极，导电玻璃为阴极。
10.根据权利要求9所述的硫化铅量子点太阳能电池，其特征在于，所述的金属阳极材料包括但不限于MoOx/Ag、MoOx/Al和Au。
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