CN102360962A - 一种量子点敏化太阳电池的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种量子点敏化太阳电池的制备方法，将单质金属或单质砷、金属硫族化合物或三硫化二砷中的任意一种或几种，和单质硫、硫的铵类盐或肼类盐、单质硒、硒的铵类盐或肼类盐、单质碲、碲的铵类盐或肼类盐中的任意一种或几种溶解于水或肼中，形成阳离子为NH4 +或N2H5 +、金属或砷与硫族元素结合形成阴离子的前驱体溶液，将氧化物半导体薄膜电极在所得的前驱体溶液中浸泡或者将所述的前驱体溶液采用流延、滴涂、旋涂、浸渍提拉、丝网印刷或者喷墨打印的方法涂覆到氧化物半导体薄膜电极上，对所得吸附前驱体的氧化物薄膜电极进行加热退火处理，再将所得的量子点敏化氧化物电极与电解质以及对电极共同组装成得到量子点敏化太阳电池。

Description

一种量子点敏化太阳电池的制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池的制备技术领域，确切地说是一种量子点敏化太阳电池的制备方法。
背景技术
太阳电池是各种清洁能源技术中最有效的技术方案之一，它对于解决人类发展过程中的能源与环境问题具有重要的意义。近年来涌现出了很多新型太阳电池技术，无机半导体量子点敏化太阳电池即是其中之一。无机半导体量子点敏化太阳电池一般采用窄带隙的无机半导体量子点作为光敏化剂，将其沉积在宽禁带氧化物半导体薄膜电极上，与电解质以及对电极共同组装成电池。
在制备无机半导体量子点敏化太阳电池的步骤中，将无机半导体量子点沉积到宽禁带氧化物半导体薄膜电极上是至关重要的一个步骤。目前实现该步骤常见的方法有两类，一类是首先通过水热法、溶剂热法、有机相高温热解法预先合成半导体量子点，然后直接将其直接吸附或者通过连接分子如巯基丙酸等吸附到宽禁带氧化物半导体薄膜电极上；另一类是将宽禁带氧化物半导体薄膜电极在组成半导体量子点的阴阳离子的溶液中浸泡，在浸泡的过程中原位形成量子点。本发明提出将单质金属或单质砷、金属硫族化合物或三硫化二砷，和单质硫、硒、碲或它们的铵类盐或肼类盐溶解于水或肼中作为量子点的前驱体溶液，这方面的研究工作尚未见国内外专利报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种艺简单、成本较低，易于规模化制备的量子点敏化太阳电池的制备方法。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将单质金属或单质砷、金属硫族化合物或三硫化二砷中的任意一种或几种，和单质硫、硫的铵类盐或肼类盐、单质硒、硒的铵类盐或肼类盐、单质碲、碲的铵类盐或肼类盐中的任意一种或几种溶解于水或肼中，形成阳离子为NH4 +或N2H5 +、金属或砷与硫族元素结合形成阴离子的前驱体溶液；
B、将氧化物半导体薄膜电极在步骤A中所得到的前驱体溶液中浸泡或者将所述的前驱体溶液采用流延、滴涂、旋涂、浸渍提拉、丝网印刷或者喷墨打印的方法涂覆到氧化物半导体薄膜电极上，得吸附前驱体的氧化物薄膜电极；
C、对步骤B所得吸附前驱体的氧化物薄膜电极进行加热退火处理，得量子点敏化氧化物电极；
D、将步骤C所得的量子点敏化氧化物电极与电解质以及对电极共同组装成得到量子点敏化太阳电池。
所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的单质金属指的是Sn、In、Zn、Cu、Ge、Hg、Ga、Sb、Mo中的任意一种。
所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的金属硫族化合物指的是SnS2、SnSe2、In2Se3、ZnTe、In2Te3、Cu2S、GeS2、HgSe、Ga2Se3、Sb2Se3、Sb2Te3、MoS2、CuInSxSe2-x、CuInyGa1-ySe2中的任意一种，其中0≤x≤2，0≤y≤1。
所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的氧化物半导体薄膜电极使用的氧化物半导体为选自Ti、Nb、Zn、Sn、Zr、Y、La、Ta、W、Hf、Sr、In、V、Cr以及Mo的金属氧化物，和SrTiO3、CaTiO3中的一种或几种。
所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的氧化物半导体薄膜电极的氧化物半导体薄膜的厚度为0.5-50微米。
所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的加热退火处理中控制温度范围在50-500℃。
本发明的有益效果为：
1、本发明中通过前驱体制备量子点的方法工艺简单，成本低，无须通过复杂且成本昂贵的有机相高温热解法制备量子点，大大降低了成本；
2、本发明可以方便地通过调节前驱体溶液的浓度、氧化物薄膜的浸泡温度等因素来调节氧化物表面量子点的覆盖率和尺寸；
3、本发明能够制备化学式复杂的多元半导体量子点，如铜铟硫、铜铟镓硫硒等；
4、本发明为基于溶液的一种制备方法，易于大规模制备，具有工业化前景。
附图说明
图1为本发明制备流程示意图；
图2为量子点敏化太阳电池结构示意图；
图3为SnSe2敏化二氧化钛太阳电池电流电压曲线。
具体实施方式
下面介绍本发明的实施例，但本发明绝非限于实施例。
实施例1：SnSe2量子点敏化TiO2太阳电池的制备
取3mmol硒(Se)，溶解于3mL肼，搅拌得到红色澄清Se-N2H4溶液。取1mmol锡(Sn)，加入到上述Se-N2H4溶液，同时加入1mL肼，搅拌得到黄色澄清的前驱体溶液。将厚度为10μm的TiO2薄膜在上述前驱体溶液中浸泡20min，取出并室温干燥后，在N2气氛下经300℃加热退火后，得到SnSe2量子点敏化的TiO2薄膜。将得到的SnSe2量子点敏化TiO2薄膜作光阳极，采用I-/I3 -电解质体系(0.1M硫氰酸胍，0.45M N-甲基苯并咪唑，0.6M 1，2-二甲基-3-丙基咪唑碘，0.1M碘，甲氧基丙腈溶剂)，以涂铂的FTO导电玻璃为对电极，组装得到SnSe2量子点敏化TiO2太阳电池，经测试，有效面积为0.25cm2的电池的光电转换效率为0.12％。
实施例2：SnS2量子点敏化TiO2太阳电池的制备
取3mmol硫(S)，溶解于3mL肼，搅拌得到红色澄清S-N2H4溶液。取1mmol锡(Sn)，加入到上述S-N2H4溶液，同时加入1mL肼，130℃搅拌得到无色或轻微黄色澄清的前驱体溶液。将厚度为10μm的TiO2薄膜在上述前驱体溶液中浸泡60min，取出并室温干燥后，在N2气氛下经300℃加热退火后，得到SnS2量子点敏化的TiO2薄膜。将得到的SnS2量子点敏化TiO2薄膜作光阳极，采用多硫电解质体系(0.5M硫化钠，0.2M硫，0.2M氯化钾，水/甲醇混合溶剂(体积比7∶3))，以硫化亚铜为对电极，组装得到SnS2量子点敏化TiO2太阳电池，经测试，有效面积为0.25cm2的电池的光电转换效率为0.6％。
实施例3：As2S3量子点敏化SnO2太阳电池的制备
取0.492g As2S3，溶解于10mL的(NH4)2S水溶液中，搅拌得到(NH4)3AsS3前驱体溶液。将厚度为5μm的SnO2薄膜在上述前驱体溶液中浸泡60min，取出并室温干燥后，在N2气氛下经300℃加热退火后，得到As2S3量子点敏化的SnO2薄膜。将得到的As2S3量子点敏化SnO2薄膜作光阳极，采用导电聚合物聚3-己基噻吩为固态电解质，热蒸发金为对电极，组装得到As2S3量子点敏化SnO2太阳电池，经测试，有效面积为0.25cm2的电池的光电转换效率为0.1％。
实施例4：CuInSe2量子点敏化ZnO太阳电池的制备
取1mmol的硒(Se)，溶解于4mL肼，再加入1mmol的In2Se3，得到(N2H4)2(N2H5)2In2Se4溶液，取1mmol的Cu2S与2mmol的硫(S)在4mL肼溶液中搅拌5天得到黄色N4H9Cu7S4溶液，将上述N4H9Cu7S4溶液与(N2H4)2(N2H5)2In2Se4溶液混合得到前驱体溶液，将厚度为10μm的ZnO薄膜在上述前驱体溶液中浸泡120min，取出并室温干燥后，在N2气氛下经300oC加热退火后，得到CuInSe2量子点敏化的ZnO薄膜。将得到的CuInSe2量子点敏化ZnO薄膜作光阳极，采用多硫电解质体系(0.5M硫化钠，0.2M硫，0.2M氯化钾，水/甲醇混合溶剂(体积比7∶3))，以硫化亚铜为对电极，组装得到CuInSe2量子点敏化ZnO太阳电池，经测试，有效面积为0.25cm2的电池的光电转换效率为0.5％。

Claims (6)

1.一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将单质金属或单质砷、金属硫族化合物或三硫化二砷中的任意一种或几种，和单质硫、硫的铵类盐或肼类盐、单质硒、硒的铵类盐或肼类盐、单质碲、碲的铵类盐或肼类盐中的任意一种或几种溶解于水或肼中，形成阳离子为NH4 +或N2H5 +、金属或砷与硫族元素结合形成阴离子的前驱体溶液；
B、将氧化物半导体薄膜电极在步骤A中所得到的前驱体溶液中浸泡或者将所述的前驱体溶液采用流延、滴涂、旋涂、浸渍提拉、丝网印刷或者喷墨打印的方法涂覆到氧化物半导体薄膜电极上，得吸附前驱体的氧化物薄膜电极；
C、对步骤B所得吸附前驱体的氧化物薄膜电极进行加热退火处理，得量子点敏化氧化物电极；
D、将步骤C所得的量子点敏化氧化物电极可与电解质以及对电极共同组装成得到量子点敏化太阳电池。
2.根据权利要求1所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的单质金属指的是Sn、In、Zn、Cu、Ge、Hg、Ga、Sb、Mo中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的金属硫族化合物指的是SnS2、SnSe2、In2Se3、ZnTe、In2Te3、Cu2S、GeS2、HgSe、Ga2Se3、Sb2Se3、Sb2Te3、MoS2、CuInSxSe2-x、CuInyGa1-ySe2中的任意一种，其中0≤x≤2，0≤y≤1。
4.根据权利要求1所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的氧化物半导体薄膜电极使用的氧化物半导体为选自Ti、Nb、Zn、Sn、Zr、Y、La、Ta、W、Hf、Sr、In、V、Cr以及Mo的金属氧化物，和SrTiO3、CaTiO3中的一种或几种。
5.根据权利要求1所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的氧化物半导体薄膜电极的氧化物半导体薄膜的厚度为0.5-50微米。
6.根据权利要求1所述的一种量子点敏化太阳电池的制备方法，其特征在于所述的加热退火处理中控制温度范围在50-500℃。
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