專利名稱：柔性的量子點敏化的太陽能電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在襯底(substrate)上的柔性太陽能電池(flexible solar cells)的CcKe量子點敏化劑(sensitizers)的制備方法和涉及在柔性襯底上制備的柔性太陽能電池。
背景技術(shù)：
由于其對于運(yùn)輸和光伏(photovoltaic)電源系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)勢，輕質(zhì)和柔性太陽能電池的研究是重要的。用于向筆記本電腦、移動電話、手表等供應(yīng)移動電力(mobile electricity)的新設(shè)計和應(yīng)用是可能的。

發(fā)明內(nèi)容
制備柔性太陽能電池的方法，包括在柔性襯底電極(flexible substrate electrode)上形成二氧化鈦(TiO2)圖案化層；在該TW2圖案化層上形成量子點(quantum dots)；形成柔性反電極(counter electrode)；將具有量子點的該襯底電極和該柔性反電極組裝成其中間具有墊片的夾層結(jié)構(gòu)(sandwich)；并且在該襯底電極和柔性反電極之間注入電解液和密封劑以形成太陽能電池。器件，包括具有包含量子點的圖案化的T^2層的柔性襯底電極；柔性反電極；位于該柔性襯底電極和柔性反電極之間的墊片；以及注入到該柔性襯底電極和柔性反電極之間的電解液(electrolyte)和密封劑。該器件可用于制備太陽能電池。


圖1是示出根據(jù)一個示例實施方案的柔性太陽能電池的方塊圖。
具體實施例方式在下面的描述中，參考形成本文的一部分的附圖，并且在其中通過圖示的方式示出可以實施的具體實施方案。這些實施方案被充分詳細(xì)地描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解可以使用其他實施方案，并且不偏離本發(fā)明的范圍可以作出結(jié)構(gòu)、 邏輯和電改變。因此，下面的示例實施方案的描述不是限制性的，并且本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求來限定。輕質(zhì)和柔性太陽能電池可以為運(yùn)輸和光伏電源系統(tǒng)設(shè)備提供優(yōu)勢。用于向筆記本電腦、移動電話、手表等供應(yīng)移動電力的新設(shè)計和應(yīng)用是可能的。此外，通過柔性材料取代剛性襯底允許通過卷對卷(roll-to-roll)批量生產(chǎn)而實現(xiàn)低成本制造。因而，通過使用柔性器件技術(shù)形成太陽能電池，存在制備成本顯著降低的光伏發(fā)電系統(tǒng)的可能性。很多人已經(jīng)研究了染料敏化的柔性太陽能電池，但是似乎沒有關(guān)于柔性量子點 (QD)敏化的太陽能電池的報道。這里描述的實施方案包括用于柔性量子點敏化的太陽能電池的封裝方法。
量子點是半導(dǎo)體，其導(dǎo)電特性與單個晶體的尺寸和形狀密切相關(guān)。一般地，晶體尺寸越小，帶隙越大，最高價帶和最低導(dǎo)帶之間的能量差變得越大，因而需要更多的能量來激發(fā)量子點，并且同時，當(dāng)晶體返回到其靜止?fàn)顟B(tài)(resting state)時釋放更多的能量。例如， 在熒光染料應(yīng)用中，這相當(dāng)于當(dāng)晶體尺寸生長得較小時，在激發(fā)量子點之后，發(fā)射較高頻率的光，導(dǎo)致在發(fā)射的光中從紅到藍(lán)的色移。使用量子點的一個優(yōu)勢是由于可以對所生產(chǎn)的晶體的尺寸進(jìn)行高水平控制，所以可以對所述材料的導(dǎo)電特性進(jìn)行非常精確的控制。(參看 <http://en. wikipedia. org/wiki/Quantum_dot> 訪 |、n]于 2010/09/26)。無機(jī)量子點(QD)具有優(yōu)于分子染料的潛在優(yōu)勢(1)通過改變它們的尺寸和組成，它們能夠容易地將有效帶隙下調(diào)至紅外(IR) 區(qū)，(2)相對于它們的分子染料對應(yīng)物，它們具有較高的穩(wěn)定性和對氧氣和水的抗性，(3)它們揭示了制造多層或雜化敏化劑的新的可能性；以及(4)它們展現(xiàn)了新的現(xiàn)象，如多激子產(chǎn)生以及使用基于能量轉(zhuǎn)移的電荷收集和直接電荷轉(zhuǎn)移方案。用于形成量子點(QD)的具體材料對的實例包括但不限于MgO、MgS、MgSe, MgTe, CaO> CaS > CaSe > CaTe > SrO> SrS > SrSe > SrTe > BaO> BaS > BaSe > BaTe > ZnO> ZnS > ZnSe > ZnTe > CdO> CdS> CdSe、CdTe、HgO、HgS> HgSe > HgTe > A1203> Al2S3> Al2Se3^ Al2Te3^ Ga203、Ga2S3、Ga2Se3、 Ga2Te3、In2O3> In2S3、In2Se3、In2Te3、Si02、GeO2> SnO2> SnS> SnSe> SnTe> PbO、PbO2> PbS、PbSe、 PbiTe、A1N、AlP、AlAs、Al Sb、&ιΝ、&ιΡ、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs 和 InSb0在一個實施方案中，太陽能電池包括柔性電極，如由錫摻雜的氧化銦涂覆的聚 (對苯二甲酸乙二醇酯)(ΡΕΤ-ΙΤ0)或由錫摻雜的氧化銦涂覆的聚(萘二甲酸乙二醇酯) (PEN-ITO)或柔性鈦金屬或不銹鋼。這種柔性電極相對于玻璃-ITO電極提供了較低的成本和技術(shù)優(yōu)勢，例如較低的重量，耐沖擊性以及較少的形式和形狀限制。在一些實施方案中，太陽能電池可以包括電子導(dǎo)體。該電子導(dǎo)體可以是η型電子導(dǎo)體。該電子導(dǎo)體可以是金屬的和/或半導(dǎo)體的，如TiO2或&10。在一些實施方案中，該電子導(dǎo)體可以由燒結(jié)過的二氧化鈦形成。在一些實施方案中，所述電子導(dǎo)體可以是導(dǎo)電聚合物，如已經(jīng)被摻雜至導(dǎo)電和/ 或改善其導(dǎo)電率的聚合物。至少由于不得不將熱處理限制到150°C，而導(dǎo)致降低的粘附和降低的顆粒間的電接觸和染料或量子點的吸附，所以將納米微粒TiA沉積在PET-ITO上是困難的。這影響了太陽能電池的效率。在一個實施方案中，使用具有酸添加劑的TiA漿糊以使得能夠低溫退火(annealing)。在其中襯底是柔性金屬如鈦的實施方案中，TiO2燒結(jié)溫度可以大于150°C， 以進(jìn)一步改善TW2到襯底的粘附。在進(jìn)一步的實施方案中，使用將量子點原位合成到TiA膜上。有兩種方法化學(xué)浴沉積和浸漬涂覆(dip coating)。兩種方法都使用合適帶隙的半導(dǎo)體，例如Cdk。所述柔性器件與柔性反電極和密封劑進(jìn)行組裝。在一個實施方案中，透明柔性 PET-ITO電極(125um厚，10-100ohm/sq，在550nm透過率 79% )用作用于光電極的襯底。 在另一實施方案中，可以使用柔性金屬如鈦或不銹鋼作為襯底。在這種實施方案中，襯底將是不透明的并且通過透明柔性反電極來照射太陽能電池。
可以通過在塑料襯底上濺射沉積薄金屬膜如鉬膜，在反電極處形成針孔來制備透明反電極(CE)。還可以由氯鉬酸溶液通過電化學(xué)沉積來制備反電極。為了制備光電極，可以使用玻璃棒將小等分量的TiO2懸浮液(具有酸添加劑，用于低溫退火)鋪展到透明電極上，粘合帶(例如3M 牌粘合帶)作為間隔物(spacer)。此后，在熱板上在120°C加熱電極20分鐘。然后通過化學(xué)沉積在TW2上沉積Cdk量子點?？梢酝ㄟ^向0. 5M CdSO4添加0. 7M 的次氮基三乙酸鉀[N (CH2COOK) 3或NTA]來制備沉積溶液。然后添加在過量Na2SO3中的0. 2M 硒代硫酸鈉(Na2SeSO3)(通過在70°C攪拌0. 2M Se和0. 5M Na2SO3達(dá)3_5hr而制備)，產(chǎn)生最后組成 80mM CdS04、80mM Na2SeSO3 (其包括 0. 12M 游離 Na2SO3)和 120mM NTA。在沉積期間，將TW2膜放在所述溶液中，其被放在恒溫室中以控制溫度在10-50°C達(dá)幾小時并保持在黑暗中。之后，將樣品用水沖洗并在N2流中干燥。然后通過將反電極壓向由量子點涂覆的經(jīng)敏化電極而將所述器件組裝成柔性夾層結(jié)構(gòu)型電池。在兩個電極之間，具有粘合帶，即用由離聚物SurIyn(DuPont)制成的60um 厚的熱熔墊片(hotmelt gasket)來密封。加熱溫度為大約100°C進(jìn)行10分鐘。這是為了控制電解液膜厚度并避免電池的短路。可以由熱熔墊片的面積來確定電池的有效面積。 Surlyn 是無規(guī)共聚物聚(乙烯-co-甲基丙烯酸)(EMAA)，其中甲基丙烯酸基團(tuán)已經(jīng)用鈉離子(Na+)中和。然后通過針孔注入電解液和密封劑。在一個實施方案中，所述電解液包括硫化物鹽、硫和離子導(dǎo)電體在水和醇的混合物中的溶液。一種典型的電解質(zhì)溶液包括IM Na2S、0. IM S、0.2M KCl在純水和甲醇(體積比1 1)混合物中的溶液。將所述電解液的滴放在反電極背面中的孔上。通過真空灌注(backfilling)將電解液引入電池中。所述孔可以由Surlyn 層密封。在一個實施方案中，所述墊片具有兩個或更多個孔。電解液通過一個孔引入并允許流過電池直到電解液開始流出一個或多個其它孔。然后可以用Surlyn層密封所述孔。圖1是以上述方式形成的柔性太陽能電池100的擴(kuò)大的塊橫截面圖。示出了具有孔115的頂部反電極柔性層110。示出了墊片120，在頂部反電極柔性層110和包括具有量子點的圖案化的TiO2層135的底部襯底光電極之間。最后，在140處表示電解液和密封劑， 在一個實施方案中，可以通過孔115注入。已經(jīng)特別參考本發(fā)明的某些優(yōu)選實施方案詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)理解，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)實現(xiàn)各種變化和更改。
權(quán)利要求
1.方法，其包括在柔性襯底電極上形成TiA的圖案化的層；在該TW2的圖案化的層上形成量子點；形成柔性反電極；將具有所述量子點的所述襯底電極和所述柔性反電極組裝成其中間具有墊片的夾層結(jié)構(gòu)；以及在所述襯底電極和柔性反電極之間注入電解液和密封劑以形成太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι的方法，其中所述量子點通過化學(xué)沉積而沉積在圖案化的TiA上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述柔性襯底電極由用錫摻雜的氧化銦涂覆的聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚萘二甲酸乙二醇酯形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中使用原位合成將所述量子點形成到所述圖案化的 TiO2 上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述反電極包括一個或更多個針孔，通過該針孔注入密封劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述電解液包括在純水和甲醇混合物中的IMNa2S, 0. IM S、0. 2M KCl 溶液。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或4的方法，其中所述量子點由MgO、MgS、MgSe,MgTe, CaO, CaS, CaSe > CaTe > SrO> SrS > SrSe > SrTe > BaO> BaS > BaSe > BaTe > ZnO> ZnS > ZnSe > ZnTe > CdO> CdS > CdSe > CdTe > HgO> HgS> HgSe > HgTe > A1203、A12S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2O3> Ga2S3> Ga2Se3、Ga2Te3、 In2O3> In2S3、In2Se3、In2Te3、Si02、GeO2> SnO2> SnS> SnSe> SnTe> PbO、PbO2> PbS、PbSe、PbTe> AlN、AlP、AlAs、AlSb、(iaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs 和 InSb 形成。
8.器件，其包括柔性襯底電極，其具有包含量子點的圖案化的T^2層；柔性反電極；置于所述柔性襯底電極和所述柔性反電極之間的墊片；以及注入到所述柔性襯底電極和所述柔性反電極之間的電解液和密封劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的器件，其中所述柔性襯底電極由用錫摻雜的氧化銦涂覆的柔性聚合物形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的器件，其中所述量子點由MgO、MgS、MgSe,MgTe, CaO, CaS, CaSe > CaTe > SrO> SrS > SrSe > SrTe > BaO> BaS > BaSe > BaTe > ZnO> ZnS > ZnSe > ZnTe > CdO> CdS > CdSe > CdTe > HgO> HgS> HgSe > HgTe > A1203、A12S3、Al2Se3、Al2Te3、Ga2O3> Ga2S3> Ga2Se3、Ga2Te3、 In2O3> In2S3、In2Se3、In2Te3、Si02、GeO2> SnO2> SnS> SnSe> SnTe> PbO、PbO2> PbS、PbSe、PbTe> AlN、AlP、AlAs、AlSb、(iaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs 和 InSb 形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及柔性的量子點敏化的太陽能電池。通過在柔性襯底電極上形成TiO2的圖案化的層組裝了柔性太陽能電池。在該TiO2的圖案化的層上形成量子點(QD)。墊片設(shè)置在所述柔性襯底電極和柔性反電極之間形成夾層結(jié)構(gòu)。在所述襯底電極和柔性反電極之間注入電解液和密封劑以形成所述柔性太陽能電池。
文檔編號H01G9/20GK102543461SQ20111038242
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月12日
發(fā)明者A·劉, L·趙, M·王, Z·鄭 申請人:霍尼韋爾國際公司