一種提高量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及一種提高量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于能源危機問題，太陽能電池被市場高度重視，其中又以量子點敏化太陽能電池(QDSSCs)最具發(fā)展?jié)摿?，因為理論的研究結(jié)果表明QDSSCs可以獲得最高66%的光電轉(zhuǎn)換效率，但實驗中QDSSCs的實際轉(zhuǎn)化效率還很低。為了提高電池的效率，人們一般采用三種方法，即提高材料結(jié)晶質(zhì)量、采用復(fù)合吸光材料以及界面處理。而界面處理則是提高電池效率的基礎(chǔ)性以及關(guān)鍵性問題。對于CdS量子點敏化ZnO基太陽能電池來說，目前采用最多的界面處理方法是在光陽極半導(dǎo)體表面沉積一層更高導(dǎo)帶位置的半導(dǎo)體或者絕緣層(如ZnS層)，形成具有核殼結(jié)構(gòu)的阻擋層，從而增加光陽極與電解液的復(fù)合電阻，而由此形成的能量勢壘也可以阻礙電子背反應(yīng)過程，極大幅度提高電池光電轉(zhuǎn)換效率。然而為了保證ZnS阻擋層的結(jié)晶質(zhì)量并精確控制層的厚度，人們往往需要采用分子束外延和化學氣相沉積等生長方法，實驗條件苛刻，操作方法復(fù)雜，成本高，不利于大規(guī)模生產(chǎn)。因此，我們開發(fā)了一種在光陽極表面修飾一層有機自組裝單層(Self-Assembled Monolayers,簡稱SAMs)膜的方法，實現(xiàn)了與沉積ZnS阻擋層同樣的效果，有效地提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種提高量子點敏化太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率的方法，有效實現(xiàn)了 ZnO光陽極與CdS量子點間界面改性，有效地提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同時該方法操作起來更加簡單，反應(yīng)溫度低，成本低，利于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，該方法利用浸泡法在ZnO納米棒陣列光陽極表面修飾一層致密的有機自組裝分子層(SAMs)，具體包括以下步驟:
①、氧化鋅納米棒陣列的制備:采用兩步化學水浴沉積法制備ZnO納米棒，即通過醋酸鋅溶液旋涂法在ITO玻璃襯底上沉積ZnO籽晶層，然后將帶有籽晶層襯底置于硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合溶液的燒杯中，硝酸鋅和六亞甲基四胺的摩爾比是1:1，帶有籽晶層襯底與燒杯底部傾斜角度為45?70°，然后將燒杯保持在93° C恒溫干燥箱中6小時，生長ZnO納米棒陣列，制得帶有ZnO納米棒陣列的ITO玻璃襯底；
②、沉積有機自組裝單層膜(SAMs膜):在30°C恒定溫度下分別配制20mL的摩爾濃度為ImmoI/L?10mmoI/L的SAMs原溶液，將①中制得的帶有ZnO納米棒陣列的ITO玻璃襯底分別浸入盛有SAMs原溶液的燒杯中，浸泡30iT5min，取出后，用濃度99%的乙醇溶液沖洗，晾干制得帶有SAMs膜的ZnO光陽極待用；所述SAMs原溶液是0.0lmol/L的3-膦?；?3-PPA)乙醇溶液；
③、沉積CdS量子點敏化層:將②中帶有SAMs膜的ZnO光陽極先浸入0.lmol/L的硝酸鎘(Cd (NO3)2.4H20)水溶液中浸泡5分鐘，取出后用去離子水沖洗，接著再浸入0.lmol/L的硫化鈉(Na2S.9H20)水溶液中浸泡5分鐘,取出后再用去離子水沖洗,此為一個循環(huán),重復(fù)6?12次循環(huán)后，在空氣中晾干即得CdS量子點敏化后的ZnO光陽極；
④、組裝太陽能電池:將步驟③中得到的CdS量子點敏化后的ZnO光陽極與Pt/IT0(Pt層的厚度為20nm)組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并注入碘離子電解液，形成帶有SAMs膜的CdS量子點敏化ZnO納米棒陣列的太陽能電池。
[0005]本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果:
1、本發(fā)明方法由于在光陽極表面修飾一層有機自組裝單層SAMs膜，有效實現(xiàn)了 ZnO光陽極與CdS量子點間界面改性，從而達到提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的效果。
[0006]2、本發(fā)明方法是利用浸泡法在ZnO納米棒陣列光陽極表面修飾一層致密的有機自組裝分子層，即SAMs膜。該SAMs膜不但會減少ZnO光陽極的表面缺陷，有效抑制載流子發(fā)光復(fù)合，促進電荷分離和傳輸，還可以使得ZnO光陽極的表面功函數(shù)升高，形成能量勢壘，起到阻礙電子背向傳輸?shù)淖饔?，從而使得CdS量子點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率最大提聞2倍。
[0007]3、本發(fā)明方法利用浸泡法在光陽極材料表面沉積SAMs膜，同樣可以達到沉積半導(dǎo)體或者絕緣體阻擋層的效果，而且該方法操作起來更加簡單，反應(yīng)溫度低、成本低，利于大規(guī)模生產(chǎn)。
[0008]
【附圖說明】
圖1本發(fā)明方法制備的用SAMs膜修飾前后光陽極的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009]圖2本發(fā)明方法制備的用SAMs膜修飾光陽極前后電池的1-V圖。
【具體實施方式】
[0010]一種提高量子點敏化太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率的方法，包括以下步驟:
①、氧化鋅納米棒陣列的制備:采用兩步化學水浴沉積法制備ZnO納米棒，即通過醋酸鋅溶液旋涂法在ITO玻璃襯底上沉積ZnO籽晶層，然后將帶有籽晶層襯底置于硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合溶液的燒杯中，硝酸鋅和六亞甲基四胺的摩爾比是1:1，帶有籽晶層襯底與燒杯底部傾斜角度為45?70°，然后將燒杯保持在93° C恒溫干燥箱中6小時，生長ZnO納米棒陣列，制得帶有ZnO納米棒陣列的ITO玻璃襯底；
②、沉積有機自組裝單層膜(SAMs膜):在30°C恒定溫度下分別配制20mL的摩爾濃度為ImmoI/L?10mmoI/L的SAMs原溶液，將①中制得的帶有ZnO納米棒陣列的ITO玻璃襯底分別浸入盛有SAMs原溶液的燒杯中，浸泡30iT5min，取出后，用濃度99%的乙醇溶液沖洗，晾干制得帶有SAMs膜的ZnO光陽極待用；所述SAMs原溶液是0.01mol/L的3-膦?；?3-PPA)乙醇溶液；
③、沉積CdS量子點敏化層:將②中帶有SAMs膜的ZnO光陽極先浸入
0.lmol/L的硝酸鎘(Cd (NO3)2.4H20)水溶液中浸泡5分鐘，取出后用去離子水沖洗，接著再浸入0.lmol/L的硫化鈉(Na2S.9 H2O)水溶液中浸泡5分鐘，取出后再用去離子水沖洗，此為一個循環(huán)，重復(fù)6?12次循環(huán)后，在空氣中晾干即得CdS量子點敏化后的ZnO光陽極；
④、組裝太陽能電池:將步驟③中得到的CdS量子點敏化后的ZnO光陽極與Pt/IT0(Pt層的厚度為20nm)組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并注入碘離子電解液，形成帶有SAMs膜的CdS量子點敏化ZnO納米棒陣列的太陽能電池。
[0011]所述Pt/ITO和碘離子電解液均為現(xiàn)有技術(shù)，市場購買得到。
[0012]本發(fā)明采用浸泡法在ZnO納米棒陣列光陽極表面修飾一層3-PPA SAMs膜，不但可以減少ZnO光陽極的表面缺陷，有效抑制載流子發(fā)光復(fù)合，促進電荷分離和傳輸，還可以使得ZnO光陽極的表面功函數(shù)升高，形成能量勢壘，起到阻礙電子背向傳輸?shù)淖饔?，從而使得CdS量子點敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率大幅度提高。
[0013]實施結(jié)果如下:
附圖1所示是帶有SAMs膜的CdS量子點敏化ZnO納米棒陣列太陽能電池的結(jié)構(gòu)示意圖及機制原理圖。左圖對應(yīng)的電池具體制作過程為:首先直接在ITO玻璃襯底上生長ZnO納米棒，襯底與燒杯的傾斜角度為60°，先用浸泡法在ZnO納米棒表面沉積一層致密的3-PPASAMs膜，3-PPA乙醇溶液的濃度為lOmmol/L，沉積時間為I分鐘，用乙醇溶液清洗干凈后，再在ZnO納米棒表面沉積CdS敏化層，浸泡時間為5分鐘，循環(huán)次數(shù)為12次，得到CdS量子點敏化后的ZnO光陽極。最后將CdS量子點敏化后的ZnO光陽極與Pt/ITO (Pt層的厚度為20nm)組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并注入碘離子電解液，形成帶有SAMs膜的CdS量子點敏化ZnO納米棒陣列的太陽能電池。右圖可以看出，SAMs膜可以有效調(diào)節(jié)ZnO納米棒陣列的功函數(shù)。經(jīng)實驗測定，3-PPA的功函數(shù)略高于ZnO，在ZnO與CdS之間形成了能量勢壘，有效阻止光生電荷的反向傳輸，減小電子空穴復(fù)合的幾率，從而提高電池光電轉(zhuǎn)換效率。
[0014]附圖2所示是用SAMs膜修飾ZnO納米棒光陽極前后電池的1-V圖，通過比較可知，沉積SAMs膜后電池的短路電流密度由1.57 mA/cm2增加至2.83 mA/cm2,開路電壓也由0.6V提高至0.62V，電池光電轉(zhuǎn)換效率則由原來的0.25%提高至0.51%，提高2倍。
【主權(quán)項】
1.一種提高量子點敏化太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率的方法，該方法包括氧化鋅納米棒陣列的制備、沉積CdS量子點敏化層、組裝太陽能電池，其特征在于:它還包括沉積有機自組裝單層SAMs膜，所述沉積有機自組裝單層SAMs膜是利用浸泡法在ZnO納米棒陣列光陽極表面修飾一層致密的有機自組裝分子層，具體步驟是:沉積有機自組裝單層SAMs膜:在30°C恒定溫度下配制20mL的摩爾濃度為lmmol/L"100mmol/L的SAMs原溶液,將制得的帶有ZnO納米棒陣列的ITO玻璃襯底分別浸入盛有SAMs原溶液的燒杯中，浸泡30s?5min，取出后，用濃度99%的乙醇溶液沖洗，晾干制得帶有SAMs膜的ZnO納米棒陣列光陽極待用；所述SAMs原溶液是0.01mol/L的3-膦酰基丙酸3-PPA乙醇溶液。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點敏化太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于:所述氧化鋅納米棒陣列的制備方法是利用兩步化學水浴沉積法，即通過醋酸鋅溶液旋涂法在ITO玻璃襯底上沉積ZnO籽晶層，然后將帶有籽晶層襯底置于硝酸鋅和六亞甲基四胺的混合溶液的燒杯中，硝酸鋅和六亞甲基四胺的摩爾比是1:1，帶有籽晶層襯底與燒杯底部傾斜角度為45?70°，然后將燒杯保持在93° C恒溫干燥箱中6小時，生長ZnO納米棒陣列，制得帶有ZnO納米棒陣列的ITO玻璃襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點敏化太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于:所述沉積CdS量子點敏化層的方法是將帶有SAMs膜的ZnO光陽極先浸入0.lmol/L的硝酸鎘Cd (NO3)2.4Η20水溶液中浸泡5分鐘，取出后用去離子水沖洗，接著再浸入0.1mol/L的硫化鈉Na2S.9 H2O水溶液中浸泡5分鐘,取出后再用去離子水沖洗,此為一個循環(huán),重復(fù)6?12次循環(huán)后，在空氣中晾干即得CdS量子點敏化后的ZnO光陽極。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高量子點敏化太陽能電池光轉(zhuǎn)換效率的方法，其特征在于:所述組裝太陽能電池的方法是將得到的CdS量子點敏化后的ZnO光陽極與Pt/ITO(Pt層的厚度為20nm)組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并注入碘離子電解液，形成帶有SAMs膜的CdS量子點敏化ZnO納米棒陣列的太陽能電池。
【專利摘要】本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及一種提高量子點敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的方法，該方法利用浸泡法在ZnO納米棒陣列光陽極表面修飾一層致密的有機自組裝分子層（SAMs），具體包括以下步驟：①、氧化鋅納米棒陣列的制備；②、沉積有機自組裝單層膜（SAMs膜）；③、沉積CdS量子點敏化層；④、組裝太陽能電池。本發(fā)明方法有效實現(xiàn)了ZnO光陽極與CdS量子點間界面改性，提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，同時該方法操作起來更加簡單，反應(yīng)溫度低，成本低，利于大規(guī)模生產(chǎn)。
【IPC分類】H01G9/042, H01G9/20
【公開號】CN104882287
【申請?zhí)枴緾N201410070857
【發(fā)明人】楊麗麗, 陳鋼, 孫云飛, 欒紅梅, 高銘, 楊景海
【申請人】吉林師范大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2014年2月28日