一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池及其制作方法，屬于新能源先進(jìn)制造【技術(shù)領(lǐng)域】。該電池主要由基底、正極、空穴收集層、光敏層、收集層和負(fù)極組成，所述正極為ITO電極，將其沉積在基板上，ITO電極和基板能使太陽光透過，所述空穴收集層為具有極強(qiáng)導(dǎo)電性能的PEDOT:PSS層，將其旋涂在ITO電極上，所述光敏層為位于PEDOT:PSS層之上的CuInS2/ZnS?QDs層，所述收集層為在CuInS2/ZnS?QDs層上旋涂的ZnO納米薄膜層，所述負(fù)極為在ZnO納米薄膜層上蒸鍍的Al電極。這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池保持了量子點太陽能電池的高效、柔性和工藝簡單的特點，同時不含重金屬，符合環(huán)保要求。
【專利說明】一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源先進(jìn)制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池結(jié)構(gòu)及其制作方法，這種太陽能電池采用無重金屬CuInS2/ZnS核殼量子點(CuInS2/ZnS QDs)材料，不含有毒重金屬，符合綠色環(huán)保要求。
【背景技術(shù)】
[0002]采用具有量子限制效應(yīng)和分立光譜特性的量子點制作太陽能電池，能夠使得太陽能電池能量轉(zhuǎn)化效率大大提高。相比其他結(jié)構(gòu)太陽能電池來說，量子點太陽電池具有效率高、低成本、柔韌性好的特點。
[0003]可見，膠質(zhì)量子點太陽電池具有良好的發(fā)展前景。但是，目前所采用的膠質(zhì)量子點太陽電池的光電轉(zhuǎn)換材料主要是含有毒重金屬陽離子(比如CcUPb等)材料，毒性高，不符合“綠色”環(huán)保的要求。銅銦硫(CuInS2)這種量子點材料的帶隙能在太陽能電池光譜的紅光邊緣，是有著高的光學(xué)吸收系數(shù)的寬禁帶半導(dǎo)體材料，其量子點尺寸也可以通過控制OLA/金屬的比率來控制。還有一個重要特性就是銅銦硫(CuInS2)這種量子點材料不含重金屬，采用這種材料作為制作太陽能電池光敏層的材料，不僅能夠保持膠質(zhì)量子點太陽能電池的高效特性，同時“綠色”環(huán)保。為了提高銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點的穩(wěn)定性和進(jìn)一步的改善其光電轉(zhuǎn)換效率，可以在銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點上包裹有硫化鋅(ZnS)核殼，制作出CuInS2/ZnS 核殼量子點(CuInS2/ZnS QDs)材料。
[0004]在國內(nèi)，有采用銅銦硫(CuInS2)薄膜制作太陽能電池的報道，這種薄膜主要采取反應(yīng)濺射、有機(jī)金屬化學(xué)氣相沉積、硫化法、電化學(xué)沉積法、真空蒸發(fā)法、化學(xué)水浴法、噴霧熱解法、離子層氣相反應(yīng)等方法制備。采用這種銅銦硫(CuInS2)薄膜也制作生產(chǎn)了薄膜柔性太陽能電池，取得了顯著的效果。但是，這種銅銦硫(CuInS2)薄膜和銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點有著根本的區(qū)別，一般來說，銅銦硫(CuInS2)薄膜是面材料吸收，銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點是體材料的吸收，這樣采用銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點制作的太陽能電池能夠大大提高光電轉(zhuǎn)換效率，是一種環(huán)保的量子點太陽能電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的主要目的是提出一種新型環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池及其制作方法，其主要特點是采用了銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點作為太陽能電池的光敏層，為了提高穩(wěn)定性和光電轉(zhuǎn)換效率在這種膠質(zhì)量子點上包裹有硫化鋅(ZnS)核殼，形成了 CuInS2/ZnS核殼量子點(CuInS2/ZnS QDs)材料。這種結(jié)構(gòu)的太陽能電池保持了量子點太陽能電池的高效、柔性和工藝簡單的特點，同時不含重金屬，符合環(huán)保要求。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下:
[0007]—種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池，主要由基底、正極、空穴收集層、光敏層、收集層和負(fù)極組成，所述正極為ITO電極2，將其沉積在基板I上，納米銦錫金屬氧化物(Indium Tin Oxides，縮寫ITO電極2和基板I能使太陽光透過，所述空穴收集層為具有極強(qiáng)導(dǎo)電性能的聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)
[0008]Poly(3, 4-ethylenedioxythiophene): poly (styrenesulfonate)縮寫PEDOT:PSS)層3，將其旋涂在ITO電極2上，所述光敏層為位于PED0T:PSS層3之上的CuInS2/ZnS QDs層4，所述收集層為在CuInS2/ZnS QDs層4上旋涂的ZnO納米薄膜層5，所述負(fù)極為在ZnO納米薄膜層5上蒸鍍的Al電極6。
[0009]一種如以上所述的環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作方法:
[0010]首先，將帶有ITO電極2的基板I用超聲凈洗，在150°C下烘烤10分鐘后，進(jìn)行紫外線處理；
[0011]其次，通過旋涂方法將PED0T:PSS層3旋涂在ITO電極2上，旋涂厚度為30nm，接著在N2環(huán)境下150°C退火10分鐘；
[0012]第三，在PED0T:PSS層3上，旋涂CuInS2/ZnS QDs層4，在旋涂過程中以120°C進(jìn)行退火，以去除溶液中的溶劑；
[0013]第四，在CuInS2/ZnS QDs層4上旋涂ZnO納米薄膜層5:使用勻膠機(jī)在CuInS2/ZnSQDs層4上旋涂25nm ZnO納米薄膜層5，在80°C的烤盤上退火30分鐘；
[0014]最后,采用熱蒸鍍的方法在ZnO納米薄膜層5上形成150nm的Al電極6,這樣就完成了環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作。
[0015]所述CuInS2/ZnS QDs的合成方法,是用4mL的1-十八烯(octadecene縮寫ODE)稀釋ImL的銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點溶液，并且脫氣三次，將0.4mmol的硬脂酸鋅和
0.4mmol的硫溶解到三基辛溶液中，在210攝氏度下將4mL的ODE逐滴加入反應(yīng)溶液中，整個加入過程超過20分鐘。
[0016]首先，所述銅銦硫(CuInS2)的合成方法，是在空氣中將0.26gCu(acac)2和0.41gIn (acac) 3 添加到裝有 7mL 的 3，3，- 二氯聯(lián)苯胺(3，3，-dichlorobenzidine 縮寫 DCB)的量程為25mL的三口燒瓶中，在另一個量程為25mL的三口燒瓶中將0.064g的硫溶解到3mLDCB 中。
[0017]其次，將兩個燒瓶連接到Schlenk line玻璃管，在室溫下用30分鐘抽取真空，以排除氧氣和水分。
[0018]第三，接著在60攝氏度下通入30分鐘的N2,將0.5mL至2mL的OLA添加到(Cu，In)-DCB混合液。
[0019]最后，同時將兩個燒瓶加熱到110攝氏度后混合，在操作期間要保持一直通有N2氣體，反應(yīng)I小時以后，冷卻至室溫，用過量的乙醇對量子點進(jìn)行提純。
[0020]所述ZnO納米薄膜層5的ZnO納米晶通過以下方式制作,將30mL0.08mol/L的無水醋酸鋅/乙醇溶液加熱至沸騰，保持20分鐘，然后把溶液降溫至室溫，注入IOmL0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室溫下生長約12小時，經(jīng)提純后，得到ZnO納米晶，并分散在乙醇中。
[0021]所述步驟一中的超聲凈洗包括:分別置于清洗液、去離子水、丙酮和異丙醇中清洗2次，每次15分鐘。
[0022]采用這種結(jié)構(gòu)和材料膠質(zhì)ZCIS/ZnS QD太陽電池。主要技術(shù)指標(biāo)可以實現(xiàn):填充因子達(dá)到:0.45 ;開路電壓達(dá)到Vco≤0.5V ;短路電流達(dá)到Jsc≤IOmA ? cm—2 ;在IOOmff/Cm2AMl.5照明條件下，功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)可以達(dá)到3.5%。
[0023]本發(fā)明的有益效果:設(shè)計制作了一種無重金材料、環(huán)保的膠質(zhì)量子點新型太陽能電池，這種太陽能電池的最大特性就是保持了量子點太陽能電池高光電轉(zhuǎn)換效率、柔性、制作工藝簡單的特點，同時對環(huán)境的傷害小，利于環(huán)保。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1太陽電池總體結(jié)構(gòu)圖。
[0025]圖2太陽電池能級關(guān)系圖。
[0026]圖3在基板上旋涂ITO電極示意圖。
[0027]圖4在ITO電極上旋涂PEDOT: PSS層示意圖。
[0028]圖5在PEDOT: PSS層上旋涂CuInS2/ZnS QDs層示意圖。
[0029]圖6在ZnO納米薄膜層上涂覆在CuInS2/ZnS QDs層示意圖。
[0030]圖1熱蒸鍍制作Al電極示意圖。
[0031]1-基板，2-1T0 電極，3-PED0T:PSS 層，4-CuInS2/ZnS QDs 層，5_Zn0 納米薄膜層，6-A1電極。
【具體實施方式】
[0032]為了完成以上的
【發(fā)明內(nèi)容】
，以下僅為本發(fā)明的較佳實施例，并結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，不能以此限定本發(fā)明的范圍。即但凡依本發(fā)明申請的專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍。下面用實施例來具體說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和制作方法。
[0033]參閱圖1，所述的環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池主要由基底1、ITO電極2、PEDOT:PSS層3、CuInS2/ZnS QDs層4、ZnO納米薄膜層5及Al電極6組成。ITO電極2被沉積在基板I上，由于ITO電極2具有透明的特性，太陽光能夠透過基板I和ITO電極2，在這里ITO電極2作為太陽能電池的正極。PED0T:PSS層3作為空穴收集層具有極其的導(dǎo)電性能，將其旋涂在ITO電極2上，能夠改善ITO電極2的導(dǎo)電性能，同時其可以增加開路電壓和短路電流，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。CuInS2/ZnS QDs層4位于PEDOT:PSS層3上，作為太陽能電池的光敏層。在CuInS2/ZnS QDs層4上旋涂有ZnO納米薄膜層5作為太陽能電池的電子的收集層。將ZnO納米薄膜層5上蒸鍍Al電極6作為太陽能電池的負(fù)極。
[0034]圖2所述的是組成新型無重金屬環(huán)保量子點材料太陽能電池材料的能級圖。參閱圖2，ITO代表ITO電極2的能級，PEDOT代表PEDOT:PSS層3的能級，QDs代表CuInS2/ZnS QDs層4的能級,ZnO代表ZnO納米薄膜層5的能級,Al代表Al電極6的能級。可見，構(gòu)成新型無重金屬環(huán)保量子點材料太陽能電池的材料能級匹配合理。在有光照的條件下，CuInS2/ZnS QDs層4的電子經(jīng)ZnO納米薄膜層5,到達(dá)Al電極6形成太陽能電池的負(fù)極；空穴被轉(zhuǎn)移至PED0T:PSS層3，使得ITO電極2作為太陽能電池的正極，這樣就在太陽能電池的Al電極6和ITO電極2間形成電勢差，也就是太陽能電池的輸出電壓。
[0035]實施例:
[0036]首先，根據(jù)圖3所述，將帶有ITO電極2的基板I用超聲凈洗，分別置于清洗液、去離子水、丙酮和異丙醇中清洗2次，每次15分鐘。在150°C下烘烤10分鐘后，進(jìn)行紫外線處理。[0037]其次，通過旋涂方法將PEDOT: PSS層3旋涂在ITO電極2上，旋涂厚度大約是30nm，接著在N2環(huán)境下150°C退火10分鐘，參閱圖4所示。
[0038]第三，在PED0T:PSS層3上，旋涂CuInS2/ZnS QDs層4，參閱圖5。在旋涂CuInS2/ZnSQDs層4時都要有一個在120°C下退火的步驟，這樣可以去除溶液中的溶劑。
[0039]其中，銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點和CuInS2/ZnS QDs合成方法如下:
[0040]銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點的合成是在空氣中，將0.26gCu (acac) 2和0.41gIn (acac) 3添加到裝有7mLDCB的量程為25mL的三口燒瓶中，在另一個量程為25mL的三口燒瓶中將0.064g的硫溶解到3mL DCB中。將兩個燒餅連接到Schlenk line玻璃管，進(jìn)行在室溫下30分鐘的抽取真空操作，以排除氧氣和水分，接著在60攝氏度下通入30分鐘的N20將0.5mL至2mL的OLA添加到(Cu，In)-DCB混合液，同時將兩個燒瓶加熱到110攝氏度后混合，在操作期間要保持一直通有N2氣體。反應(yīng)Ih以后，冷卻至室溫，用過量的乙醇對量子點進(jìn)行提純。
[0041]CuInS2/ZnS QDs的合成是用4mL的1-十八烯(ODE)稀釋ImL的銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點溶液，并且脫氣三次。將0.4mmol的硬脂酸鋅和0.4mmol的硫溶解到三基辛溶液中，在210攝氏度下，將4mL的ODE逐滴加入反應(yīng)溶液中，整個加入過程超過20分鐘。
[0042]第四，將30mL0.08mol/L的無水醋酸鋅/乙醇溶液加熱至沸騰，保持20分鐘，然后把溶液降溫至室溫，注入IOmL0.5mol/L NaOH/乙醇溶液，在室溫下生長約12小時。經(jīng)提純后，得到ZnO納米晶，并分散在乙醇中。使用勻膠機(jī)在CuInS2/ZnS QDs層4上旋涂25nm ZnO納米薄膜層5，在80°C的烤盤上，退火30分鐘。這樣就完成了在CuInS2/ZnS QDs層4上旋涂ZnO納米薄膜層5，其結(jié)構(gòu)參閱圖6。
[0043]最后，采用熱蒸鍍的方法在ZnO納米薄膜層5上形成150nm的Al電極6，其結(jié)構(gòu)參閱圖7。
[0044]這樣就完成了環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作。
【權(quán)利要求】
1.一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池，主要由基底、正極、空穴收集層、光敏層、收集層和負(fù)極組成，其特征在于:所述正極為ITO電極(2)，將其沉積在基板(I)上，HO)電極(2)和基板(I)能使太陽光透過，所述空穴收集層為具有極強(qiáng)導(dǎo)電性能的聚(3，4-亞乙二氧基噻吩)_聚(苯乙烯磺酸)
(Poly (3, 4-ethylenedioxythiophene):poly (styrenesulfonate)縮寫 PEDOT:PSS)層(3)，將其旋涂在ITO電極(2)上，所述光敏層為位于PED0T:PSS層(3)之上的CuInS2/ZnSQDs層(4)，所述收集層為在CuInS2/ZnS QDs層(4)上旋涂的ZnO納米薄膜層(5)，所述負(fù)極為在ZnO納米薄膜層(5)上蒸鍍的Al電極(6)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作方法，其特征在于: 首先，將帶有ITO電極(2)的基板(I)用超聲凈洗，在150°C下烘烤10分鐘后，進(jìn)行紫外線處理； 其次，通過旋涂方法將PED0T:PSS層(3)旋涂在ITO電極(2)上，旋涂厚度為30nm，接著在N2環(huán)境下150°C退火10分鐘； 第三，在PED0T:PSS層(3)上，旋涂CuInS2/ZnS QDs層(4)，在旋涂過程中以120°C進(jìn)行退火，以去除溶液中的溶劑； 第四，在CuInS2/ZnS QDs層(4)上旋涂ZnO納米薄膜層(5):使用勻膠機(jī)在CuInS2/ZnSQDs層(4)上旋涂25nm ZnO納米薄膜層(5)，在80°C的烤盤上退火30分鐘； 最后，采用熱蒸鍍的方法在ZnO納米薄膜層(5)上形成150nm的Al電極(6),這樣就完成了環(huán)保無重金屬量子點太陽能電`池的制作。
3.如權(quán)利要求2所述的一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作方法，其特征在于: 所述CuInS2/ZnS QDs的合成方法,是用4mL的1-十八烯(octadecene縮寫0DE)稀釋ImL的銅銦硫(CuInS2)膠質(zhì)量子點溶液，并且脫氣三次，將0.4mmol的硬脂酸鋅和0.4mmol的硫溶解到三基辛溶液中，在210攝氏度下將4mL的ODE逐滴加入反應(yīng)溶液中，整個加入過程超過20分鐘。
4.如權(quán)利要求2所述的一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作方法，其特征在于: 首先，所述銅銦硫(CuInS2)的合成方法，是在空氣中將0.26gCu(acac)2和0.41gIn(acac)3 添加到裝有 7mL 的 3，3，- 二氯聯(lián)苯胺(3，3，-dichlorobenzidine 縮寫 DCB)的量程為25mL的三口燒瓶中，在另一個量程為25mL的三口燒瓶中將0.064g的硫溶解到3mLDCB 中。 其次，將兩個燒瓶連接到Schlenk line玻璃管，在室溫下用30分鐘抽取真空，以排除氧氣和水分。 第三，接著在60攝氏度下通入30分鐘的N2,將0.5mL至2mL的OLA添加到(Cu，In) -DCB混合液。 最后，同時將兩個燒瓶加熱到110攝氏度后混合，在操作期間要保持一直通有N2氣體，反應(yīng)I小時以后，冷卻至室溫，用過量的乙醇對量子點進(jìn)行提純。
5.如權(quán)利要求2所述的一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作方法，其特征在于: 所述ZnO納米薄膜層(5)的ZnO納米晶通過以下方式制作,將30mL0.08mol/L的無水醋酸鋅/乙醇溶液加熱至沸騰，保持20分鐘，然后把溶液降溫至室溫，注入IOmL0.5mol/LNaOH/乙醇溶液，在室溫下生長約12小時，經(jīng)提純后，得到ZnO納米晶，并分散在乙醇中。
6.如權(quán)利要求2所述的一種環(huán)保無重金屬量子點太陽能電池的制作方法，其特征在于: 所述步驟一中的超聲凈洗包括:分別置于清洗液、去離子水、丙酮和異丙醇中清洗2次，每次15分鐘 。
【文檔編號】H01L51/48GK103618047SQ201310665055
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】張宇, 翟微微, 劉文閆, 于偉泳, 王一丁, 張佳全, 張鐵強(qiáng), 林曉瓏, 高文竹, 馮毅 申請人:吉林大學(xué)