[發明專利]一種提高量子點敏化太陽能電池光電轉換效率的方法

有效

• 申請號: 201410070857.0
• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN104882287B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 楊麗麗;陳鋼;孫云飛;欒紅梅;高銘;楊景海
• 申請（專利權）人: 吉林師范大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 吉林省長春市新時代專利商標代理有限公司22204
• 代理人: 石岱

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，具體的說涉及一種提高量子點敏化太陽能電池光電轉換效率的方法。

背景技術

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）最具發展潛力，因為理論的研究結果表明QDSSCs可以獲得最高66％的光電轉換效率，但實驗中QDSSCs的實際轉化效率還很低。為了提高電池的效率，人們一般采用三種方法，即提高材料結晶質量、采用復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性以及關鍵性問題。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體表面沉積一層更高導帶位置的半導體或者絕緣層（如ZnS層），形成具有核殼結構的阻擋層，從而增加光陽極與電解液的復合電阻，而由此形成的能量勢壘也可以阻礙電子背反應過程，極大幅度提高電池光電轉換效率。然而為了保證ZnS阻擋層的結晶質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，操作方法復雜，成本高，不利于大規模生產。因此，我們開發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換效率。

發明內容

本發明的目的是提供一種提高量子點敏化太陽能電池光轉換效率的方法，有效實現了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換效率，同時該方法操作起來更加簡單，反應溫度低，成本低，利于大規模生產。

本發明的目的是這樣實現的，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^o，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^oC恒定溫度下分別配制20mL的摩爾濃度為1mmol/L~100mmol/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；

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0.1mol/L的硝酸鎘（Cd (NO₃)₂·4H₂O）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·9H₂O）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，重復6~12次循環后，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/ITO（Pt層的厚度為20nm）組裝成三明治結構，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。

本發明具有以下優點和積極效果：

1、本發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換效率的效果。

2、本發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，有效抑制載流子發光復合，促進電荷分離和傳輸，還可以使得ZnO光陽極的表面功函數升高，形成能量勢壘，起到阻礙電子背向傳輸的作用，從而使得CdS量子點敏化太陽能電池的光電轉換效率最大提高2倍。

3、本發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，反應溫度低、成本低，利于大規模生產。

附圖說明

圖1 本發明方法制備的用SAMs膜修飾前后光陽極的結構示意圖。