一種量子點尺寸梯度變化的鈣鈦礦型太陽能電池及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光伏材料領(lǐng)域，特別設(shè)及一種量子點尺寸梯度變化的巧鐵礦型太陽能 電池及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對能源提出越來越高的要求，尋找新能源成為 當(dāng)前人類面臨的迫切課題。在眾多可再生能源中，太陽能由于具有儲量豐富、綠色環(huán)保和價 格低廉等優(yōu)點被譽(yù)為最具前景的選擇之一，逐漸成為人類使用能源的重要組成部分，并不 斷得到發(fā)展。
[0003] 2009年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)巧鐵礦型光吸收劑，它的禁帶寬度僅有1.5 eV，在光伏領(lǐng) 域表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。巧鐵礦太陽能電池是由巧鐵礦作為吸收層而命名的，它由染料 敏化電池發(fā)展而來，截止2013年9月份，由巧鐵礦材料組裝的太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已 經(jīng)高達(dá)16.2%。僅2013年就有10篇W上的學(xué)術(shù)論文發(fā)表在權(quán)威期刊《Science》和《化ture》， 具有廣泛的研究和應(yīng)用市場。巧鐵礦材料為日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，該材料為ABX3結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定，巧鐵礦材料的禁帶寬度在1.5e V附近，吸收系數(shù)高達(dá)105,在可見光區(qū)域400-800nm 吸收能力較好。但是，在紫外和紅外區(qū)域的光吸收比較少。所W，要改善巧鐵礦型太陽能電 池的光電轉(zhuǎn)化效率，需要增加巧鐵礦太陽能電池在可見光區(qū)域的光吸收W及拓展其在紫外 和紅外光區(qū)域的光吸收效率。
[0004] 為了彌補(bǔ)巧鐵礦太陽能電池對紫外及紅外光區(qū)域太陽光的吸光能力弱及光電轉(zhuǎn) 化效率低的缺陷，同時進(jìn)一步增強(qiáng)巧鐵礦太陽能電池可見光區(qū)域太陽光的吸收，現(xiàn)有技術(shù) 中，中國專利公開號104576929A公開了一種巧鐵礦-硫化鉛量子點疊層太陽電池及其制備 方法。電池是由透明電極、電子傳輸層、巧鐵礦層、硫化鉛量子點層和金屬對電極組成，通過 巧鐵礦和硫化鉛兩種吸光層復(fù)合，拓展了光譜范圍，增強(qiáng)光電流，獲得疊層電池。然而，運種 結(jié)構(gòu)只是簡單地堆疊兩種吸收層，缺乏從光生載流子分離和輸運能力的設(shè)計，層間易產(chǎn)生 缺陷，嚴(yán)重影響了電池光電轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，造成電池效率不均一，重復(fù)性差。
[0005] 中國專利公開號104409642A公開了一種巧鐵礦/P型量子點復(fù)合結(jié)構(gòu)太陽能電池 的制備方法，采用了 P型半導(dǎo)體量子點材料替代昂貴的有機(jī)空穴傳輸材料，能顯著提高填 充因子和光電轉(zhuǎn)換效率。但是，專利公開的方案中也只是將量子點膠體涂覆在巧鐵礦表面， 雖然在光陰極產(chǎn)生了導(dǎo)帶邊的能級差引入的分離驅(qū)動力，但是在光陽極和吸收層之間仍然 存在導(dǎo)帶邊失調(diào)值導(dǎo)致電子-空穴復(fù)合，致使制備的電池效率不均一。
[0006] 此外，中國專利公開號104183704A公開了一種量子點共敏化型巧鐵礦太陽能電池 的制備方法，將量子點作為吸收劑與具有可見光吸收特性的巧鐵礦相結(jié)合，達(dá)到擴(kuò)展或增 強(qiáng)巧鐵礦吸光范圍、同時提高巧鐵礦太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率的目的。然而，專利公開的 方案中，只是簡單地在光陽極Ti化上先用連續(xù)離子層吸附反應(yīng)法制備量子點，再在其上覆 蓋巧鐵礦層。運種在光陽極和吸收層之間產(chǎn)生了導(dǎo)帶邊的能級差，引入了電子和空穴的分 離驅(qū)動力，但是在光陰極和金屬電極之間沒有分離勢能，電子空穴容易在此處復(fù)合中屯、，并 且分布不均勻，導(dǎo)致電池不同區(qū)域?qū)μ柟獾奈詹痪鶆?，最終導(dǎo)致電池效率不均一。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有制備量子點/巧鐵礦復(fù)合太陽能電池技術(shù)中還沒有一種從能帶工 程角度出發(fā)，設(shè)計合理的吸收層能帶變化，充分的利用量子點的寬吸收域和巧鐵礦制備簡 單的共同優(yōu)勢，獲得高效率的電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了解決上述的不足和缺陷，本發(fā)明采用巧鐵礦包裹量子點的核殼結(jié)構(gòu)作為巧鐵 礦太陽能電池的吸光層基本單元，且從能帶匹配出發(fā)，將吸收層設(shè)計成核殼結(jié)構(gòu)層按尺寸 大小呈V形梯度分布。首先，該方法克服了現(xiàn)有技術(shù)中量子點與巧鐵礦層接觸區(qū)域存在缺陷 眾多的不足，減少了電子-空穴復(fù)合的概率，提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而且，通過改變量子 點的大小對太陽光譜裁剪，并采用核殼結(jié)構(gòu)層按尺寸大小呈V形梯度分布的方法，獲得吸收 層材料能帶也成V形梯度分布，不僅分波長范圍吸收，提高電池對太陽光譜的吸收效率，而 且在光陽極、光陰極和陰極電極界面之間獲得合適的分離電勢，提高光生電子和空穴的分 離。本發(fā)明實施例提供一種量子點尺寸梯度變化的巧鐵礦型太陽能電池的制備方法，使用 該方法制備的太陽能電池，光電轉(zhuǎn)化效率提高。
[0009] -方面，本發(fā)明提供了一種巧鐵礦型太陽能電池，其特征在于，所述巧鐵礦型太陽 能電池按照下述順序由透明導(dǎo)電基底、致密電子傳輸層，復(fù)合吸光層和金屬電極層組成，其 中，所述復(fù)合吸光層由巧鐵礦包裹P型半導(dǎo)體量子點的核殼結(jié)構(gòu)層組成，所述核殼結(jié)構(gòu)層 按尺寸大小呈V形梯度分布。
[0010] 優(yōu)選的，所述復(fù)合吸光層的厚度為500-2500nm。
[0011] 優(yōu)選的，所述核殼結(jié)構(gòu)為平均尺寸20-100 nm的球體，其中，所述P型半導(dǎo)體量子點 尺寸為3.5-60 nm，位于所述球體內(nèi)部。
[0012] 優(yōu)選的，所述致密電子傳輸層為厚度為300-500nm的N型金屬氧化物半導(dǎo)體層。 [OOU] 優(yōu)選的，所述金屬氧化物半導(dǎo)體為Ti〇2、ZnO、Nb2〇日、Sn〇2中的其中一種。
[0014]另一方面，本發(fā)明提供了一種巧鐵礦太陽能電池的制備方法，其特征在于，所述巧 鐵礦太陽能電池具體制備步驟如下： (1) 制備致密電子傳輸層 采用脈沖激光鍛膜法，將鍛有透明導(dǎo)電層的玻璃基底放置于真空室中，基底與祀面之 間的距離為3 cm,在純度為99.995%?上氣氣氣氛條件下，控制工作氣壓為5-10 Pa,脈沖能 量密度2.5J/cm2,重復(fù)頻率設(shè)置為5 Hz,沉積10-30min后取出，放入氣氛退火爐中經(jīng)300-500°C，10化氧氣條件下0.化-化退火后，獲得所述致密電子傳輸層； (2) 制備復(fù)合吸光層 a、 按尺寸大小逐級購買量子點納米粉末:尺寸在3.5-7 nm為A類量子點納米粉末，尺 寸在7-15 nm為B類量子點納米粉末，尺寸在15-30 nm為C類量子點納米粉末，尺寸在30-60 nm為D類量子點納米粉末； 將所述量子點甲苯混合液逐滴加入所述燒瓶中，加熱到135~230°C，用真空累將甲苯抽 離待用； b、 準(zhǔn)備4個相同的燒瓶標(biāo)號分別標(biāo)號1，2,3,4,將5-lOg =下基氧化麟放入每個燒瓶中， 在真空下加熱至90-150°(：，保溫0.5-1.化后，冷卻至60-70°(：; 將步驟a中獲得4類尺寸大小的0.1-0.5g P型量子點納米粉末分別超聲分散于甲苯溶 液中，獲得4份量子點甲苯混合液； 將所述的4份量子點甲苯混合液逐滴加入對應(yīng)的所述4個燒瓶中，例如A類粉末加入標(biāo) 號為1的燒瓶中，加熱到135-230°C，用真空累將甲苯抽離待用； C、將ABx與C曲NH3B3-X按摩爾比1:1-1:4溶于N-N二甲基甲酯胺或甲苯溶劑中，獲得 0.25-1.0摩爾濃度前驅(qū)溶液，將所述前驅(qū)溶液滴加入所述4個燒瓶中，超聲分散至混合均勻 待用，其中x=l-2，A選自Pb或Sn,B選自I或Cl或Br; d、將步驟C獲得的含有4種不同尺寸量子點滲雜的巧鐵礦前驅(qū)溶液W1000-5000轉(zhuǎn)/分 鐘旋涂覆蓋在所述致密電子傳輸層上，旋涂的順序為A. . .Al B. . .Bl D. . .D Ic. . .Cl B. . .B A. . .A，形成量子點尺寸在吸收層厚度方向從小變大再變小的梯度變化，形成V形形態(tài)分布。 其中，A. . .A表示兩層W上的A類前驅(qū)溶液； 將旋涂成膜后的樣品，經(jīng)70-100°C加熱lO-eOmin后，獲得覆蓋層平均厚度為1500-2500nm的有機(jī)無機(jī)雜化物C出N出AB3巧鐵礦相/P型量子點復(fù)合吸光層； (3)制備金屬電極層 利用真空熱蒸鍛或電子束蒸鍛在所述復(fù)合吸光層表面蒸鍛一層厚度50-100 nm的Au或 Pt對電極。