專利名稱：一種量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池及其制備方法。
背景技術(shù)：
能源與環(huán)境問題是當(dāng)今世界的兩大主要問題。太陽能的大規(guī)模應(yīng)用是解決能源與環(huán)境問題，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。在太陽能的利用方式中，太陽電池是一類重要的方式。有機(jī)太陽電池具有容易進(jìn)行分子水平上的裁剪和設(shè)計(jì)、材料來源廣、生產(chǎn)工藝簡單、制備成本低、易于大面積制作以及可獲得柔性電池等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)代光伏技術(shù)發(fā)展的重要方向，具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。但仍有諸多因素制約著有機(jī)太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率的提高，以下幾個(gè)方面的因素是比較關(guān)鍵的①太陽光譜中的約占45%的近紅外光沒有被電池有效利用；②有機(jī)太陽電池材料較短的激子擴(kuò)散長度限制了激子的有效離化以及電子、空穴的有效收集；③有機(jī)太陽電池中電子、空穴不能有效傳輸且在傳輸過程中容易復(fù)合；④有機(jī)太陽電池的壽命短。上述因素與材料、器件結(jié)構(gòu)及制備技術(shù)，特別是與電池活性層的微觀結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述存在的缺陷而提供一種量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池及其制備方法，該太陽電池采用有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠提高現(xiàn)有有機(jī)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率、降低制備成本、延長工作壽命。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池，所述太陽電池采用
有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該太陽電池包括金屬電極、表面有透明導(dǎo)電膜ITO的透明玻璃襯底，該透明玻璃襯底的透明導(dǎo)電膜ITO上為SiO (氧化鋅)納米薄膜層，在該ZnO納米薄膜層上為一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO和活性層，活性層上為PEDOT PSS緩沖層，在該P(yáng)EDOT PSS緩沖層上有電極修飾層；所述活性層包括單核或者核殼結(jié)構(gòu)的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)和有機(jī)給體。所述一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO垂直于透明玻璃襯底，這樣有利于后續(xù)制作步驟的進(jìn)行。所述金屬電極為Au (金)或Al (鋁)電極。所述窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)為Cdk (硒化鎘)或CdS/Cdk (硫化鎘/硒化鎘)。所述電極修飾層為MoO3 (氧化鉬)或CsF (氟化銫)。一種制備權(quán)利要求1所述量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池的方法，包括以下步驟
(1)在表面有透明導(dǎo)電膜ITO的透明玻璃襯底上用超聲噴霧熱分解的方法制備一層 ZnO納米薄膜層，超聲噴霧熱分解過程中的溫度保持在300 V ；(2)在步驟(1)所制備的ZnO納米薄膜層上制備一維有序納米結(jié)構(gòu)SiO；
(3)制備單核或核殼結(jié)構(gòu)窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)；
(4)進(jìn)行活性層的制備，先對步驟(2)所制備的一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO進(jìn)行表面修飾或者等離子處理，然后將一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO吸附步驟(3)制備的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)，最后在電場誘導(dǎo)下進(jìn)行旋涂有機(jī)給體，在旋涂完有機(jī)給體后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下熱處理有機(jī)給體， 完成活性層的制備；
(5)在步驟(4)所制備的活性層上采用旋涂法制備PED0T:PSS緩沖層；
(6)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(5)所制備的PED0T:PSS緩沖層上制備電極修飾層；
(7)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(6)所制備的電極修飾層上制備金屬電極。所述步驟(2)中制備一維有序納米結(jié)構(gòu)SiO的方法采用水熱法或PLD法(脈沖激光沉積法)或熱CVD法(熱化學(xué)氣相沉積法)。所述步驟(3)中制備窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)的方法采用熱分解法或微乳液法或低溫水熱法或電化學(xué)沉積法。步驟(4)活性層的制備還可以采用將窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)和有機(jī)給體做成混合漿料，然后用旋涂的方式制備該活性層。具體步驟如下(1)在表面有透明導(dǎo)電膜ITO的透明玻璃襯底上用超聲噴霧熱分解的方法制備一層ZnO納米薄膜層，超聲噴霧熱分解過程中的溫度保持在300 V ； (2)在步驟(1)所制備的ZnO納米薄膜層上制備一維有序納米結(jié)構(gòu) ZnO ； (3)制備單核或核殼結(jié)構(gòu)窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)；(4)進(jìn)行活性層的制備，將步驟(3)所制備的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)與有機(jī)給體充分混合，做成混合漿料，然后采用旋涂的方式制備該活性層；(5)在步驟(4)所制備的活性層上采用旋涂法制備PED0T:PSS緩沖層；(6)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(5)所制備的PED0T:PSS緩沖層上制備電極修飾層；(7)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(6)所制備的電極修飾層上制備金屬電極。本發(fā)明的有益效果為采用這種結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)勢①一維有序納米結(jié)構(gòu)及量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)能增大P-N結(jié)界面，從而能更有效的產(chǎn)生激子并有效的使電荷分離；②一維有序納米結(jié)構(gòu)可以提高電子的輸運(yùn)能力，同時(shí)有機(jī)分子沿有序表面的排布也能提高空穴的傳輸效率并減小電子和空穴在傳輸過程中的復(fù)合；③作為給體材料的有機(jī)給體和作為受體材料的量子點(diǎn)能級(jí)結(jié)構(gòu)的合理搭配，能實(shí)現(xiàn)載流子的有效傳輸和收集；④利用窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)與ZnO復(fù)合能實(shí)現(xiàn)寬光譜吸收；⑤無機(jī)材料具有良好的穩(wěn)定性，有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠延長太陽電池的壽命；⑥在活性層的制備中，采用了一些新的技術(shù)，如電場誘導(dǎo)分子極化取向、表面修飾、等離子體處理及熱處理等，這有助于進(jìn)一步提高電池的性能。


圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式
中量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1為透明玻璃襯底，2為透明導(dǎo)電膜ΙΤ0，3為ZnO納米薄膜層，4為一維有序納米結(jié)構(gòu)ai0，5為窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)，6為有機(jī)給體，7為PED0T:PSS緩沖層，8為電極修飾層，9為金屬電極。
具體實(shí)施例方式從圖1中可以看出，本發(fā)明的量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池采用有機(jī)/無機(jī)CN 102544373 A復(fù)合結(jié)構(gòu)，該太陽電池包括金屬電極9、表面有透明導(dǎo)電膜ITO 2的透明玻璃襯底1，該透明玻璃襯底1的透明導(dǎo)電膜ITO 2上為SiO (氧化鋅)納米薄膜層3，在該ZnO納米薄膜層3 上為一維有序納米結(jié)構(gòu)SiO 4和活性層，活性層上為PED0T:PSS緩沖層7 ；所述活性層包括單核或者核殼結(jié)構(gòu)的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)5和有機(jī)給體6。在所述的PEDOT PSS緩沖層7上有電極修飾層8。所述一維有序納米結(jié)構(gòu)SiO 4垂直于透明玻璃襯底1。所述金屬電極9為Au (金)或Al (鋁)電極。所述窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)5為Cdk (硒化鎘)或CdS/Cdk (硫化鎘/硒化鎘)。所述電極修飾層8為MoO3 (氧化鉬)或CsF (氟化銫)。實(shí)施例1
(1)在表面有透明導(dǎo)電膜ITO 2的透明玻璃襯底1上用超聲噴霧熱分解的方法制備一層ZnO納米薄膜層3(約50 nm)，超聲噴霧熱分解生長過程中的溫度保持在300 °C。ITO的方塊電阻為50 Ω/ □，ITO導(dǎo)電玻璃的透過率大于85%。(2)在步驟(1)所制備的ZnO納米薄膜層上采用水熱法制備取向、高度、長徑比、空隙大小、形貌可控的一維有序納米結(jié)構(gòu)aio。將乙酸鋅放在一個(gè)能夠旋緊的帶蓋容器中，向其中注入去離子水，并借助于超聲使其充分溶解，然后向溶液中滴入氨水，并不斷搖動(dòng)，當(dāng)溶液變澄清時(shí)，停止注入氨水。之后將生長有ZnO納米顆粒層(約50 nm)的ITO玻璃片垂直放入容器的支架上，并將蓋擰緊。最后把容器放入溫度為95 °C的烘箱中，并持續(xù)加熱。 然后把容器取出，在空氣中冷卻。把冷卻后的樣品取出，并用去離子水反復(fù)清洗，直至表面沒有殘留物。在制備過程中需結(jié)合制備條件，使核層一維有序納米&ι04盡量垂直于襯底生長，這樣有利于后續(xù)制作步驟的進(jìn)行。(3)采用熱分解法制備尺寸、形貌、結(jié)構(gòu)可控的單核或核殼結(jié)構(gòu)窄帶隙多尺寸Cdk 量子點(diǎn)。稱取一定量的CdO (氧化鎘)，油酸(0A)，十八烯(ODE)放入三頸燒瓶中。在氬氣保護(hù)下，將三頸燒瓶中的溶液攪拌并加熱到180 ！左右，使CdO溶解形成Cd (鎘)反應(yīng)溶液。 將一定量的％粉溶解于三辛基膦(TOP)中，然后充分?jǐn)嚢?，使義(硒)粉在TOP中分散均勻。將三頸燒瓶內(nèi)的溶液繼續(xù)升溫至275 °C時(shí)，快速的將％前驅(qū)液注入到Cd前驅(qū)液中進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間的不同對應(yīng)不同尺寸的量子點(diǎn)。將反應(yīng)得到的量子點(diǎn)溶液溶于氯仿，用濾紙過濾去除多余的OA。將濾液用丙酮洗滌、分層、離心，得到的固體再溶于氯仿，再用甲醇洗滌、分層、離心，反復(fù)清洗兩次之后，使得大部分OA和未反應(yīng)的反應(yīng)物被清洗掉。將固體溶于氯仿，放入減壓蒸餾裝置抽干后，最后得到Cdk量子點(diǎn)。(4)進(jìn)行活性層的制備，先對步驟(2)所制備的一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO進(jìn)行表面修飾或者等離子處理，來提高聚合物與納米結(jié)構(gòu)的浸潤性，將合成的功能分子包裹的Cdk量子點(diǎn)從親油性改為親水性后，再將一維有序納米ZnO放入CcKe量子點(diǎn)溶液中，使CcKe量子點(diǎn)直接吸附到ZnO上。將Cdk量子點(diǎn)由親油性改為親水性得方法為將OA包裹的量子點(diǎn)加入巰基丙酸(MPA)和環(huán)已酮中并攪拌，再加入酒精，然后用離心機(jī)離心，離心后的沉淀加入適量的四甲基氫氧化銨，其PH值可由醋酸調(diào)節(jié)。將配成溶液的P3HT有機(jī)給體用甩膠機(jī)在吸附量子點(diǎn)后的ZnO上進(jìn)行旋涂。在旋涂P3HT (3-己基噻吩聚合物)有機(jī)給體的過程中可以進(jìn)行電場誘導(dǎo)，電場誘導(dǎo)有利于提高有機(jī)物的載流子遷移率，可使分子極化取向制備。 同時(shí)可以通過改變?nèi)軇┑姆N類及濃度，來改善有機(jī)物的填充效果。
(5)在步驟(4)所制備的活性層上采用旋涂法制備PED0T:PSS緩沖層，PED0T:PSS 緩沖層能有效傳輸空穴。(6)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(5)所制備的PED0T:PSS緩沖層上制備無機(jī)超薄電極修飾層MoO3電極修飾層，電極修飾層能有效提高電池的性能。(7 )采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(6 )所制備的電極修飾層上制備金屬電極Al。本發(fā)明不限于上述的實(shí)施例，一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO可以采用其它的方法制備， 如PLD法、熱CVD法，窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)除采用單核結(jié)構(gòu)外還可采用核殼結(jié)構(gòu)，其制備方法也可采用微乳液法、低溫水熱法、電化學(xué)沉積法等方法，在活性層的制備過程中可以采取表面修飾、熱處理等其它技術(shù)，活性層的制備也可采用將窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)和有機(jī)給體做成混合漿料，然后用旋涂的方式制備，無機(jī)超薄電極修飾層和金屬電極也可采用其它材料。
權(quán)利要求
1.一種量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池，其特征在于，所述太陽電池采用有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該太陽電池包括金屬電極、表面有透明導(dǎo)電膜ITO的透明玻璃襯底，該透明玻璃襯底的透明導(dǎo)電膜ITO上為ZnO納米薄膜層，在該ZnO納米薄膜層上為一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO和活性層，活性層上為PEDOT PSS緩沖層，在該P(yáng)EDOT PSS緩沖層上有電極修飾層； 所述活性層包括單核或者核殼結(jié)構(gòu)的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)和有機(jī)給體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池，其特征在于，所述一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO垂直于透明玻璃襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池，其特征在于，所述金屬電極為Au或Al電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池，其特征在于，所述窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)為CcKe或CdS/CcKe。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池，其特征在于，所述電極修飾層為MoO3或CsF。
6.一種制備權(quán)利要求1所述量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池的方法，包括以下步驟(1)在表面有透明導(dǎo)電膜ITO的透明玻璃襯底上用超聲噴霧熱分解的方法制備一層 ZnO納米薄膜層，超聲噴霧熱分解過程中的溫度保持在300 V ；(2)在步驟(1)所制備的ZnO納米薄膜層上制備一維有序納米結(jié)構(gòu)SiO；(3)制備單核或核殼結(jié)構(gòu)窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)；(4)進(jìn)行活性層的制備，先對步驟(2)所制備的一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO進(jìn)行表面修飾或者等離子處理，然后將一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO吸附步驟(3)制備的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)，最后在電場誘導(dǎo)下進(jìn)行旋涂有機(jī)給體，在旋涂完有機(jī)給體后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下熱處理有機(jī)給體， 完成活性層的制備；(5)在步驟(4)所制備的活性層上采用旋涂法制備PED0T:PSS緩沖層；(6)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(5)所制備的PED0T:PSS緩沖層上制備電極修飾層；(7)采用熱蒸發(fā)的方法，在步驟(6)所制備的電極修飾層上制備金屬電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中制備一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO的方法采用水熱法或PLD法或熱CVD法。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中制備窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)的方法采用熱分解法或微乳液法或低溫水熱法或電化學(xué)沉積法。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)活性層的制備還可以采用將窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)和有機(jī)給體做成混合漿料，然后用旋涂的方式制備該活性層。
全文摘要
本發(fā)明屬于太陽電池的技術(shù)領(lǐng)域，具體的涉及一種量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池及其制備方法。該量子點(diǎn)敏化有序體異質(zhì)結(jié)太陽電池采用有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該太陽電池包括金屬電極、表面有透明導(dǎo)電膜ITO的透明玻璃襯底，該透明玻璃襯底的透明導(dǎo)電膜ITO上為ZnO納米薄膜層，在該ZnO納米薄膜層上為一維有序納米結(jié)構(gòu)ZnO和活性層，活性層上為PEDOT:PSS緩沖層，在該P(yáng)EDOT:PSS緩沖層上有電極修飾層；所述活性層包括單核或者核殼結(jié)構(gòu)的窄帶隙多尺寸量子點(diǎn)和有機(jī)給體。該太陽電池采用有機(jī)/無機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠提高現(xiàn)有有機(jī)太陽電池的轉(zhuǎn)換效率、降低制備成本、延長工作壽命。
文檔編號(hào)H01L51/42GK102544373SQ20121001377
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月17日
發(fā)明者徐錫金, 邵明輝, 黃金昭 申請人:濟(jì)南大學(xué)