CN115881841B - 硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用。所述硫化铅量子点太阳能电池结构包括沿设定方向依次设置的第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层和第二电极；其中，所述电子传输层包括具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。本发明提供的一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池，通过在器件中引入具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，从而实现其表面的光活性层对入射光的高效利用，在光活性层薄膜厚度不变的条件下，增加了其对光的吸收利用，从而提升了器件的短路电流密度。
Description
技术领域
本发明特别涉及一种硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用，属于太阳能电池技术领域。
背景技术
太阳能电池是一种将太阳光能转换为电能的装置，同时也是缓解能源危机与环境污染的一种有效技术方法之一。目前在太阳能电池研究的领域中，研究人员主要致力于提升太阳能电池的光电转换效率、提高器件的运行稳定性以及降低生产成本，从而实现太阳能电池的规模化应用。
随着太阳能电池技术的发展，硫化铅量子点(PbS CQDs)太阳能电池受到越来越多的关注，主要是因为PbS CQDs具有量子限域效应，这一效应使其禁带宽度可以随着尺寸变化而变化(0.7eV-2.1eV)；同时量子点的多激子效应可以使单结的PbS CQDs太阳能电池效率达到45％。另外，PbS CQDs太阳能电池从材料合成到器件制备均可采用溶液方法制备，从而极大地降低了生产成本。这些优势为PbS CQDs太阳能电池的商业化应用奠定了基础。然而，目前制约PbS CQDs太阳能电池应用的因素主要是其光电转换效率低，现有PbS CQDs太阳能电池光的电转换效率只有14％。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种硫化铅量子点太阳能电池结构及其制备方法和应用，从而克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明一方面提供了一种硫化铅量子点太阳能电池结构，包括沿设定方向依次设置的第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层和第二电极；其中，所述电子传输层包括具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
本发明实施例另一方面还提供了一种提升硫化铅量子点太阳能电池短路电流密度的方法，包括：
将具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层与硫化铅量子点光活性层配合；所述光学褶皱结构包括形成在氧化锌薄膜表面的多个微凸起结构，相邻微凸起结构之间形成相对凹陷的沟壑状的微凹陷结构，其中，多个微凸起结构是呈周期性分布的，所述微凸起结构和/或微凹陷结构的周期长度为200nm-900nm，所述微凸起结构的高度为30-130nm，所述氧化锌薄膜的厚度为30-250nm，所述氧化锌薄膜的表面粗糙度的均方根为10-30nm。
本发明实施例另一方面还提供了一种硫化铅量子点太阳能电池的制备方法，包括制作第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层、第二电极的步骤；其中，所述制作电子传输层的步骤包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液制成液膜，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1)本发明提供的一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池，通过在器件中引入具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，从而实现其表面的光活性层对入射光的高效利用，在光活性层薄膜厚度不变的条件下，增加了其对光的吸收利用，从而提升了器件的短路电流密度；
2)本发明提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备方法，采用溶胶凝胶的旋涂工艺，低温烘烤自发形成，此方法操作简单，且对设备要求低，从而降低了制备成本。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例中提供的一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的结构示意图；
图2是本发明实施例1中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图3是本发明实施例1中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌图；
图4是本发明实施例2中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图5是本发明实施例2中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌图；
图6是本发明实施例3中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图7是本发明实施例3中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌图；
图8是本发明实施例4中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图9是本发明实施例4中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌图；
图10是本发明对比例1中提供的一种不具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图11是本发明对比例1中提供的一种不具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌图；
图12是本发明对比例3中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图13是本发明对比例3中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌图；
图14是本发明对比例4中提供的一种不具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图15是本发明对比例5中提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的表面形貌图；
图16是基于具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池与基于平面ZnO薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的电流-电压曲线。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本案发明人研究发现，为了进一步提升太阳能电池的光电转换效率，提升短路电流密度是有效的方法之一，因为短路电流密度与光电转换效率成正比关系。为了提升短路电流密度，需提高太阳能电池中光活性层(硫化铅量子点薄膜)对入射光的利用效率；根据下式所示的光活性层薄膜对入射光吸收效率(AE：Absorption Efficiency)：
式中，σ是光活性层薄膜的电导率，E是光活性层薄膜中的电场强度，V光活性层薄膜的体积，Pin是入射光的功率；从上式中可以看出，增加光活性层薄膜厚度是提升光活性层薄膜对光吸收的直接方法，因为光活性层薄膜吸收效率与厚度有关，光活性层薄膜越厚，体积越大，吸收的就越多；然而厚度的增加会带来光活性层薄膜内部缺陷密度的增加，从而导致太阳能电池器件的开路电压降低，最终导致太阳能电池器件的光电转换效率无法得到有效提升。
在不改变光活性层薄膜厚度的情况下，要达到提升光活性层薄膜对入射光的利用率的目的，可以通过增加光活性层薄膜内部场强的方式来实现吸收效率的增加，由于光活性层薄膜中的场强与光在光活性层薄膜内部叠加相互作用有关，因此在太阳能电池器件中引入具有光学褶皱结构的电子传输层是一种有效的解决方法。而目前制备具有光学褶皱结构的薄膜的方法，通常采用光刻、喷墨打印、物理沉积等方法，这些方法制备工艺复杂且成本高，不利于未来的商业化制备。
为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种硫化铅量子点太阳能电池结构，包括沿设定方向依次设置的第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层和第二电极；其中，所述电子传输层包括具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
在一些具体的实施方案中，所述光学褶皱结构包括形成在氧化锌薄膜表面的多个微凸起结构和/或微凹陷结构。
在一些具体的实施方案中，多个微凸起结构和/或微凹陷结构是呈周期性分布的，所述微凸起结构和/或微凹陷结构的周期长度为200nm-900nm，即相邻两个微凸起结构中心区域的间距。
在一些具体的实施方案中，所述微凸起结构包括形成在氧化锌薄膜表面的凸起的条带状结构，相邻凸起的条带状结构之间形成相对凹陷的沟壑状的微凹陷结构，其中，所述凸起的条带状结构的高度为30-130nm。
在一些具体的实施方案中，所述氧化锌薄膜的厚度为30-250nm，具体的，所述氧化锌薄膜中不具有光学褶皱结构的区域的厚度为30-120nm，具有微凸起结构的区域的厚度为60-250nm。
在一些具体的实施方案中，所述氧化锌薄膜是由无数纳米晶粒组成，纳米晶粒的尺寸为2-3nm。
在一些具体的实施方案中，所述氧化锌薄膜的表面粗糙度的均方根为10-30nm。
在一些具体的实施方案中，所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备方法包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液制成液膜，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
在一些具体的实施方案中，所述氧化锌薄膜前驱体溶液中锌离子的浓度为0.7-0.9moL/L，具体的，通过控制溶液的浓度和加热温度来实现光学褶皱结构，经过测试发现，若氧化锌薄膜前驱体溶液中的锌离子浓度在0.6M以下无法获得光学褶皱结构，而当锌离子浓度大于0.7-0.9M且热处理的温度为140-160℃时则能够获得光学褶皱结构，且通过氧化锌薄膜前驱体溶液的浓度与加热温度就可以控制褶皱的高度。
在一些具体的实施方案中，所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备方法包括：将锌源与溶剂于50-70℃条件下加热搅拌4-6h，从而获得所述的氧化锌薄膜前驱体溶液。
本发明实施例另一方面还提供了一种提升硫化铅量子点太阳能电池短路电流密度的方法，包括：
将具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层与硫化铅量子点光活性层配合；所述光学褶皱结构包括形成在氧化锌薄膜表面的多个微凸起结构，相邻微凸起结构之间形成相对凹陷的沟壑状的微凹陷结构，其中，多个微凸起结构是呈周期性分布的，所述微凸起结构和/或微凹陷结构的周期长度为200nm-900nm，所述微凸起结构的高度为30-130nm，所述氧化锌薄膜的厚度为30-250nm，所述氧化锌薄膜的表面粗糙度的均方根为10-30nm。
经过测试发现，平整的氧化锌薄膜无法增加光活性层对入射光的利用率，器件中短路电流密度就会比较小，最终导致器件的光电转换效率比较低，而具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜能够增加器件中的短路电流密度，从而使器件的光电转换效率较高。
在一些具体的实施方案中，所述的方法包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液制成液膜，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
在一些具体的实施方案中，所述的方法具体包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液涂布在基底上制成所述的液膜。
在一些具体的实施方案中，所述的方法具体包括：采用旋涂的方式将氧化锌薄膜前驱体溶液涂布在基底上制成所述的液膜，所述旋涂的转速为2000-4000rpm，旋涂的时间为30-60s，具体的，旋涂可以均匀成膜，转速太低薄膜不均匀，转速太高薄膜很薄，损失很多溶液。
在一些具体的实施方案中，所述氧化锌薄膜前驱体溶液中锌离子的浓度为0.7-0.9moL/L。
在一些具体的实施方案中，所述的方法包括：将锌源与溶剂于50-70℃条件下加热搅拌4-6h，从而获得所述的氧化锌薄膜前驱体溶液。
在一些具体的实施方案中，所述基底包括第一电极。
本发明实施例另一方面还提供了一种硫化铅量子点太阳能电池的制备方法，包括制作第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层、第二电极的步骤；其中，所述制作电子传输层的步骤包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液制成液膜，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
在一些具体的实施方案中，所述氧化锌薄膜前驱体溶液中锌离子的浓度为0.7-0.9moL/L。
在一些具体的实施方案中，所述的制备方法具体包括：将锌源与溶剂于50-70℃条件下加热搅拌4-6h，从而获得所述的氧化锌薄膜前驱体溶液。
本发明通过在硫化铅量子点太阳能电池中引入具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜，提升了硫化铅量子点太阳能电池中的电场强度，从而提高了硫化铅量子点太阳能电池中的硫化铅量子点薄膜对入射光的利用率，实现了增加光吸收的目的，进而提升了硫化铅量子点太阳能电池的短路电流密度，最终提高了硫化铅量子点太阳能电池的光电转换效率。
本发明采用制备工艺简单且成本低的溶胶凝胶的方法制备出了具有光学褶皱结构的氧化锌电子传输层薄膜，增加了太阳能电池器件内部的电场强度，从而提升了光活性层对入射光的利用率。通过本发明提供的制备方法制备出的硫化铅量子点太阳能电池(ITO/ZnO/PbS-PbX2/PbS-EDT/Au)的短路电流密度得到了极大的提升，从而提升了硫化铅量子点太阳能电池的光电转换效率。
如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明实施例中所采用的二水合醋酸锌、乙二醇甲醚、乙醇胺等材料以及采用的加热设备、旋涂设备、硫化铅量子点薄膜以及构成硫化铅量子点太阳能电池中的空穴传输层、电极等均可以是本领域技术人员已知的，其均可以通过市购获得，或者，提供过本领域技术人员已知的方式加工获得。
实施例1
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌离子的浓度为0.7mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.7moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液旋涂形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于150℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜，具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜表面的扫描电镜图如图2所示；实施例1中ZnO薄膜的呈现具有沟壑状的褶皱结构，其褶皱(即前述凸起的条状结构，下提供)高度为100-110nm)。
3)硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备：
以所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，并在氧化锌薄膜上依次制备硫化铅光活性层薄膜、空穴传输层和金电极，从而获得如图1所示的硫化铅量子点薄膜太阳能电池，硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌如图3所示，其中，所述硫化铅量子点薄膜太阳能电池的结构为ITO/ZnO/PbS-PbX2/PbS-EDT/Au，其中，ITO层是第一电极，厚度为160nm，ZnO层的褶皱高度为100±10nm，PbS-PbX2光活性层的厚度400±10nm，PbS-EDT空穴传输层的厚度35±5nm，Au层是第二电极，厚度70±10nm，下同；将本实施例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品A。
实施例2
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.8mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.8moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液涂布形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于150℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜，其扫描电镜图如图4所示，在此条件下制备的氧化锌薄膜呈现沟壑状的褶皱结构，褶皱的高度130±10nm。
3)硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备：
以所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，并在氧化锌薄膜上依次制备硫化铅光活性层薄膜、空穴传输层和金电极，从而获得如图1所示的硫化铅量子点薄膜太阳能电池(ITO/ZnO/PbS-PbX2/PbS-EDT/Au)，硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌如图5所示，将本实施例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品B。
实施例3
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.85mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.85moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液涂布形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于150℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜，其扫描电镜图如图6所示，在此条件下制备的氧化锌薄膜呈现沟壑状的褶皱结构，褶皱的高度170±10nm。
3)硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备：
以所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，并在氧化锌薄膜上依次制备硫化铅光活性层薄膜、空穴传输层和金电极和金电极，从而获得如图1所示的硫化铅量子点薄膜太阳能电池(ITO/ZnO/PbS-PbX2/PbS-EDT/Au)，硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌如图7所示，将本实施例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品C。
实施例4
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.9mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.9moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液涂布形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于150℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜，其扫描电镜图如图8所示，在此条件下制备的氧化锌薄膜呈现沟壑状的褶皱结构，褶皱的高度220±10nm。
3)硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备：
以所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，并在氧化锌薄膜上依次制备硫化铅光活性层薄膜、空穴传输层和金电极和金电极，从而获得如图1所示的硫化铅量子点薄膜太阳能电池(ITO/ZnO/PbS-PbX2/PbS-EDT/Au)，硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌如图9所示，将本实施例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品D。
对比例1
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.4mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.4moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液旋涂形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于150℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得的氧化锌薄膜，此时并没有形成褶皱的结构，是平整的薄膜，其扫描电镜图如如图10所示，氧化锌薄膜的厚度为35±5nm，氧化锌薄膜表面均匀致密。
3)硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备：
以所述氧化锌薄膜作为电子传输层，并在氧化锌薄膜上依次制备硫化铅光活性层薄膜、空穴传输层和金电极，从而获得如图1所示的硫化铅量子点薄膜太阳能电池(ITO/ZnO/PbS-PbX2/PbS-EDT/Au)，硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌如图11所示，将本对比例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品E。
对比例2
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为1mol/L，此时薄膜为过饱和溶液，二水合醋酸锌并不能完全溶解，因此无法制备获得ZnO薄膜。
对比例3
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.85mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.85moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液涂布形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于120℃条件下，将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得带有褶皱的氧化锌薄膜，其电镜图如图12所示，氧化锌薄膜表面的褶皱没有在150℃加热30min的明显，即褶皱的高度相对较低，褶皱的高度为90±10nm。
3)硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备：
以所述氧化锌薄膜作为电子传输层，并在氧化锌薄膜上依次制备硫化铅光活性层薄膜、空穴传输层和金电极，从而获得如图1所示的硫化铅量子点薄膜太阳能电池(ITO/ZnO/PbS-PbX2光/PbS-EDT/Au)，硫化铅量子点薄膜太阳能电池的截面形貌如图13所示，将本对比例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品F。
对比例4
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.85mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.85moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液涂布形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为40s；然后在空气环境中，于180℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热30min，从而获得氧化锌薄膜，其电镜图如图14所示，本对比例中所获氧化锌薄膜为平整薄膜，并不能形成褶皱结构。
对比例5
一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池的制备方法，可以包括如下步骤：
1)氧化锌薄膜前驱体溶液的制备：
以二水合醋酸锌为锌源，以乙二醇甲醚和乙醇胺作为溶剂；在空气中，将所述锌源和溶剂于65℃加热搅拌4h，获得无色透明的氧化锌薄膜前驱体溶液，其中锌的浓度为0.85mol/L。
2)具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备：
在空气环境中或者氮气手套箱中将氧化锌薄膜前驱体溶液滴加到已清洗的透明导玻璃(ITO)上，并通过旋涂的方式将锌浓度为0.85moL/L的氧化锌薄膜前驱体溶液涂布形成氧化锌薄膜前驱体，旋涂时的转速为3000rpm，旋涂的时间为30s；然后在空气环境中，于150℃条件下将氧化锌薄膜前驱体加热10min，从而获得氧化锌薄膜，其电镜图如图15所示，由于加热时间短，薄膜中有机物残留比较多，并导致薄膜的电阻太大，薄膜表面有不是很明显褶皱。
对比例6
对比例6中的一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池采用不经处理的、表面为平面的氧化锌薄膜作为电子传输层，本对比例中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池标记为样品G。
基于具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池与基于平面ZnO薄膜对应的硫化铅量子点薄膜太阳能电池的电流-电压曲线如图16所示。
分别对实施例1-实施例4，对比例1、对比例3、对比例6中的硫化铅量子点薄膜太阳能电池进行测试，测试方法包括：太阳能模拟器(Oriel Sol 3A，USA)配有标准氙灯，以Keithley 2400提供电压，在室温、AM1.5G(100mW/cm2)的条件下对电池进行电流密度-电压的测试，采用国际可再生能源实验室校准的标准单晶硅电池(Oriel P/N 91150V)对太阳模拟器光照强度进行校准，测试结果如表1所示。
表1为样品A-D、样品E、F和G的的光电转换性能参数
在光活性层浓度不变的情况下，为了对比出光学褶皱结构的氧化锌薄膜可以提升器件的短路电流密度，与基于具有平面结构的氧化锌薄膜制备的器件进行对比，如图16所示，相比于基于平面结构氧化锌薄膜的电池，具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜对应的电池的短路电流密度从24.69mA/cm2提升至26.33mA/cm2；电池的光电转换效率也由9.09％提升至10.0％。
本发明提供的一种硫化铅量子点薄膜太阳能电池，通过在器件中引入具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层，从而实现其表面的光活性层对入射光的高效利用，在光活性层薄膜厚度不变的条件下，增加了其对光的吸收利用，从而提升了器件的短路电流密度。
本发明提供的一种具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备方法，采用溶胶凝胶的旋涂工艺，低温烘烤自发形成，此方法操作简单，且对设备要求低，从而降低了制备成本。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种硫化铅量子点太阳能电池结构，包括沿光入射方向依次设置的第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层和第二电极；其特征在于，所述电子传输层包括具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜，所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备方法包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液制成薄膜，所述氧化锌薄膜前驱体溶液中锌离子的浓度为0.7-0.9moL/L，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
2.根据权利要求1所述的硫化铅量子点太阳能电池结构，其特征在于：所述光学褶皱结构包括形成在氧化锌薄膜表面的多个微凸起结构和/或微凹陷结构。
3.根据权利要求2所述的硫化铅量子点太阳能电池结构，其特征在于：多个微凸起结构和/或微凹陷结构是呈周期性分布的，所述微凸起结构和/或微凹陷结构的周期长度为200nm-900nm。
4.根据权利要求2所述的硫化铅量子点太阳能电池结构，其特征在于：所述微凸起结构包括形成在氧化锌薄膜表面的凸起的条带状结构，相邻凸起的条带状结构之间形成相对凹陷的沟壑状的微凹陷结构，其中，所述凸起的条带状结构的高度为30-130nm。
5.根据权利要求1所述的硫化铅量子点太阳能电池结构，其特征在于：所述氧化锌薄膜的厚度为30-250nm。
6.根据权利要求1所述的硫化铅量子点太阳能电池结构，其特征在于：所述氧化锌薄膜的表面粗糙度的均方根为10-30nm。
7.根据权利要求1所述的硫化铅量子点太阳能电池结构，其特征在于，所述具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜的制备方法包括：将锌源与溶剂于50-70℃条件下加热搅拌4-6h，从而获得所述的氧化锌薄膜前驱体溶液。
8.一种提升硫化铅量子点太阳能电池短路电流密度的方法，其特征在于包括：
将氧化锌薄膜前驱体溶液制成液膜，所述氧化锌薄膜前驱体溶液中锌离子的浓度为0.7-0.9moL/L，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜；
将具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜作为电子传输层与硫化铅量子点光活性层配合；所述光学褶皱结构包括形成在氧化锌薄膜表面的多个微凸起结构，相邻微凸起结构之间形成相对凹陷的沟壑状的微凹陷结构，其中，多个微凸起结构是呈周期性分布的，所述微凸起结构和/或微凹陷结构的周期长度为200nm-900nm，所述微凸起结构的高度为30-130nm，所述氧化锌薄膜的厚度为30-250nm，所述氧化锌薄膜的表面粗糙度的均方根为10-30nm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，具体包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液涂布在基底上制成所述的液膜。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述的方法具体包括：采用旋涂的方式将氧化锌薄膜前驱体溶液涂布在基底上制成所述的液膜，所述旋涂的转速为2000-4000rpm，旋涂的时间为30-60s。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的方法包括：将锌源与溶剂于50-70℃条件下加热搅拌4-6h，从而获得所述的氧化锌薄膜前驱体溶液。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述基底包括第一电极。
13.一种硫化铅量子点太阳能电池的制备方法，包括制作第一电极、电子传输层、硫化铅量子点光活性层、空穴传输层、第二电极的步骤；其特征在于，所述制作电子传输层的步骤包括：将氧化锌薄膜前驱体溶液制成液膜，所述氧化锌薄膜前驱体溶液中锌离子的浓度为0.7-0.9moL/L，之后在140-160℃条件下加热处理20-50min，制得具有光学褶皱结构的氧化锌薄膜。
14.根据权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所述的制备方法具体包括：将锌源与溶剂于60-70℃条件下加热搅拌4-6h，从而获得所述的氧化锌薄膜前驱体溶液。
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