用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于量子點(diǎn)敏化太陽能電池制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極，還涉及上述用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著人們對能源的需求不斷增加和石化燃料儲量的持續(xù)減少，尋找一種新的來源豐富、綠色環(huán)保的替代能源已成為目前科研的重要課題之一。太陽能作為一種取之不盡的天然能源日益受到全世界的關(guān)注，尤其是把太陽能直接轉(zhuǎn)化為電能的太陽能電池研宄已成為目前研宄的熱點(diǎn)。
[0003]量子點(diǎn)敏化太陽能電池(QDSSC)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的第三代太陽能電池，即利用窄禁帶的無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)(QD)敏化寬禁帶的基底材料。量子點(diǎn)相對于染料有很大的優(yōu)勢，一方面，其具有量子限域效應(yīng)，可以通過控制其尺寸和形狀來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的帶隙寬度，以此來調(diào)節(jié)吸收光譜的范圍；另一方面，半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有激子倍增效應(yīng)(MEG)，一個(gè)高能量的光子激發(fā)半導(dǎo)體量子點(diǎn)，可以產(chǎn)生多個(gè)電子-空穴對(見A.Shabaev1Al.L.Efros, A.J.Nozik, Nan0.Letters 2006,6，第 22856-22863 頁)。如果將半導(dǎo)體量子點(diǎn)的此兩大優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到太陽能電池中，QDSSC效率的理論值可達(dá)到44% (M.C.Hanna, A.J.Nozik, Appl.Phys.2006，100，074510)，比晶體硅太陽能電池的理論值32.9%高很多。因此，不論是在成本還是在應(yīng)用上，QDSSC的發(fā)展的潛力是巨大。
[0004]目前，量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光陽極結(jié)構(gòu)主要有兩種:第一種是多孔的1102納米晶膜，這種納米晶膜可提供高的比表面用于光敏劑的加載，然而此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是在納米晶邊界存在嚴(yán)重的電子捕獲和散射，另外10_20nm尺寸的小粒徑無序的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對光散射能力差；第二種是一維的ZnO(或T12)納米線陣列，這些一維結(jié)構(gòu)對光生電子能夠提供連續(xù)的通道，大大降低了粒子的邊界效應(yīng)，并且對注入的光具有良好的散射作用，從而增強(qiáng)光的利用，除此之外，單晶的一維結(jié)構(gòu)相對零維結(jié)構(gòu)具有百倍的電子擴(kuò)散系數(shù)。盡管一維納米結(jié)構(gòu)光陽極有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是電池效率還是遠(yuǎn)低于納米晶膜，其主要的原因是納米線陣列膜的比表面積只有納米晶膜的一半，大大降低了光敏劑的加載，在電池參數(shù)方面主要表現(xiàn)在低的光電流和電池效率。對于這兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的綜合，如果能克服其缺點(diǎn)，繼承兩者的優(yōu)點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來，那么電池的效率就有可能得到大幅提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極，該復(fù)合光陽極兼具了 T12納米晶膜和ZnO納米線的優(yōu)點(diǎn)，解決了現(xiàn)有光陽極制備的量子點(diǎn)敏化太陽能電池電池效率低的問題。
[0006]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供上述復(fù)合光陽極的制備方法。
[0007]本發(fā)明采用的第一個(gè)技術(shù)方案是，一種用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極，包括附有T12阻擋層的導(dǎo)電玻璃，在T12阻擋層上，由下至上還附有T12納米晶/ZnO納米線復(fù)合層和T12納米晶層。
[0008]優(yōu)選地，T12納米晶/ZnO納米線復(fù)合層和T1 2納米晶層的厚度之和為10?15 μ m0
[0009]本發(fā)明采用的第二個(gè)技術(shù)方案是，上述用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極的制備方法，包括以下步驟:
[0010]步驟I，制備Ti02/Zn0納米晶混合漿料；
[0011]首先將ZnO納米晶分散于乙醇得到ZnO納米晶膠體，再用適量乙醇稀釋ZnO納米晶膠體；然后將T12納米粉放入研缽，先加入水進(jìn)行初步研磨，再將用乙醇稀釋過的ZnO納米晶膠體分多次加入研缽繼續(xù)研磨，形成混懸液；在超聲與攪拌的條件下，依次向混懸液中加入松油醇和乙基纖維素乙醇溶液，最后70°C水浴使乙醇部分揮發(fā)，得到粘度適合于絲網(wǎng)印刷的Ti02/Zn0納米晶混合漿料。
[0012]步驟2，制備多孔Ti02/Zn0復(fù)合納米晶膜；
[0013]采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，具體按照以下步驟實(shí)施:在附有1102阻擋層的導(dǎo)電玻璃上涂覆Ti02/Zn0納米晶混合漿料，待漿料固化后再涂覆T12納米晶漿料，最后放入馬弗爐煅燒，得到附有多孔Ti02/Zn0復(fù)合納米晶膜的基片。
[0014]步驟3，制備T12納米晶/ZnO納米線復(fù)合層；
[0015]先將Zn(NO3)2水溶液加入六次甲基四氨(HMTA)水溶液，然后依次加入聚乙烯亞胺(PEI)水溶液和NH4OH水溶液，并用硝酸將溶液pH調(diào)節(jié)至堿性9.2-9.4，得到ZnO納米線的生長溶液；再將步驟2的附有多孔Ti02/Zn0復(fù)合納米晶膜的基片插入生長溶液中，采用水熱法生長ZnO納米線，得到附有T12納米晶/ZnO納米線復(fù)合膜的基片。
[0016]步驟4，制備復(fù)合光陽極；
[0017]采用SILAR法實(shí)現(xiàn)CdSe量子點(diǎn)在復(fù)合膜內(nèi)的沉積，得到用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極。
[0018]本發(fā)明還具有以下特點(diǎn):
[0019]優(yōu)選地，步驟I中，1102納米粉、ZnO納米晶、松油醇和乙基纖維素的質(zhì)量比為1: (0.05-0.5):4:0.5。
[0020]優(yōu)選地，步驟2中，Ti02/Zn0納米晶混合漿料分2_3次涂覆，每次涂覆之后靜置，等漿料流動平衡后放入烘箱中固化后再涂覆下一次。
[0021]優(yōu)選地，煅燒具體為:先以3°C /min的速率從室溫升到450°C，再退火30min。
[0022]優(yōu)選地，步驟3生長溶液中，Zn (NO3)2濃度為0.025?0.05mol/L，HMTA濃度為0.0125 ?0.025mol/L，PEI 濃度為 0.005mol/L，NH4OH 濃度為 0.35 ?0.45mol/L。
[0023]優(yōu)選地，水熱法生長ZnO納米線為在93°C的水浴中生長5?10小時(shí)。
[0024]步驟4SILAR法具體為:將步驟3的附有T12納米晶/ZnO納米線復(fù)合膜的基片依次浸入Se2—溶液、去離子水、Cd2+溶液、另一去離子水，重復(fù)多次后烘干得到復(fù)合光陽極；其中，Se2_溶液和Cd 2+溶液濃度相等，附有T1 2納米晶/ZnO納米線復(fù)合膜的基片在Se 2_溶液和Cd2+溶液中浸入的時(shí)間相同。
[0025]優(yōu)選地，Se2_溶液和Cd 2+溶液濃度均為0.05mol/L ；附有T1 2納米晶/ZnO納米線復(fù)合膜的基片在Se2—溶液和Cd 2+溶液中浸入的時(shí)間為lmin。
[0026]本發(fā)明所用到的原料均為化學(xué)領(lǐng)域常用物品，可以由實(shí)驗(yàn)室常用方法制備得到，也可以通過市售獲得，本發(fā)明不限制這些物料的來源。
[0027]本發(fā)明所用導(dǎo)電玻璃為FTO玻璃或ITO玻璃等常見導(dǎo)電玻璃，本發(fā)明同樣不限制導(dǎo)電玻璃的種類。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:(I)本發(fā)明的用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的復(fù)合光陽極具有復(fù)合結(jié)構(gòu)，將納米晶與納米線有效的復(fù)合在一起，在納米晶膜中引入納米線可提高納米晶膜對注入光的散射作用，同時(shí)單晶納米線可提供電子傳輸?shù)目焖偻ǖ馈?2)本發(fā)明制備方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于Ti02/Zn0納米晶復(fù)合漿料的制備與ZnO納米線水熱生長的控制。直接引入納米線生長的種子，通過一步原位生長獲得納米線與納米晶的復(fù)合膜，優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、成本低廉、可大面積制備、重復(fù)性好。(3)采用本發(fā)明制備的光陽極利用納米晶大的比表面吸附更多的量子點(diǎn)，提高光捕獲，利用一維納米線高的光散射作用，降低光陽極對光的反射與透射損失，增強(qiáng)光吸收，利用單晶結(jié)構(gòu)高的電子擴(kuò)散系數(shù)提供暢通的電子傳輸通道，以上優(yōu)點(diǎn)的集合使得電池的光電轉(zhuǎn)換性能得到了很大的提高。
【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明的復(fù)合光陽極的制備流程圖；
[0030]圖2是本發(fā)明的