专利名称：一种全无机肖特基量子点太阳能电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池及其制备，特别是ー种全无机固体肖特基量子点太阳能电池及其制备方法。
背景技术：
单晶材料如硅和III-V族化合物半导体已经在光伏电池上能够达到了 20-41. 4%的转化效率，这么高的转化效率是由于这些器件对光的吸收与太阳光到达地面的光谱匹配，并且这些半导体有很好的电子传输特性。同时，低成本，低能耗的太阳能电池(利用溶液法合成和滚涂法成膜)近几年也受到重视，有机聚合物太阳能电池就是其中的ー种，但
其稳定性差。胶体量子点，在溶液中合成且能够通过浸溃，旋涂，印刷的方法在基底包括柔性基底成膜，这些已在发光二极管上显示出潜在的应用价值。窄带隙半导体可以吸收更多的光、提供大的电流，但是电压小，宽带隙材料由于吸收受限电流小但电压大，最后，平衡电压和电流后，最佳的带隙在I. lev-1. 4ev之间，其在单结电池中具有最高的能量转化效率。体材料Si、InP和CuInSe2有最合适的带隙，但是体材料PbS，LnAs和PbSe不适合应用在光伏上，一种调节带隙的方法是调控它的构成。PbS的激子波尔半径是18nm，通过在合成时控制PbS量子点粒径的大小可以使其吸收边从 3000nm 到 600nm 可调(M. A. Hines, G. D. Scholes, Adv。Mater0 2003，15，1844)，对于单结太阳能电池，最佳的带隙是I. lev，对应的PbS量子点粒径大约是3. 5nm。在实验中已观测到PbS具有多激子效应(见Randy J. Ellingson, MatthewC. Beard, Justin C. Johnson, Nano Letters, 2005, Vol. 5, No. 5865-871)，即低能隙能量量子点可以通过吸收单个高能光子产生多个电子空穴对，使得量子效率大于100%。PbS是ー种P型半导体，用其制备的肖特基光伏电池的优势是可以使用低功函数的金属电极。在这种器件中，能带弯曲只发生在量子点薄膜中，中间有ー个耗尽层，内建电场会使电子和空穴分开，电子漂移到金属电极，空穴传输到高功函的ー级如ITO或FT0。量子点太阳能电池由于其制备エ艺简单，成本低，成为最具潜力的第三代太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是克服现有的有机物太阳能电池稳定性差，硅太阳能电池成本高的缺点，提供一种全无机肖特基量子点太阳能电池及其制备方法，利用量子点的量子限制效应，多激子效应的优势，能够使光的吸收可调，覆盖红外到可见整个区域，电池的转化效率高，并且制备エ艺简单，制备时间短，制备成本低。本发明的技术方案 一种全无机肖特基量子点太阳能电池，以ITO玻璃(掺Sn的In2O3导电玻璃)为衬底，由ITO阳极、PbS量子点层和铝阴极依次叠加构成。
所述PbS量子点层的厚度为lOOnm，铝阴极的厚度为lOOnm。一种所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下I)将ITO玻璃衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、こ醇依次进行超声清洗，然后放在真空箱中80°C下干燥I小时；2)配制PbS量子点氯仿溶液作为旋涂液；3)将处理后的ITO玻璃衬底放在旋涂机上，在导电玻璃上滴加上述旋涂液O. 4-0. 6ml，停留2秒，用600rpm的转速旋涂使其成膜，自然干燥lOmin，滴O. 4-0. 6ml巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，用3000rpm的转速旋涂，自然干燥5min，然后滴O. 2-0. 4ml甲醇溶液，用3000rpm的转速旋转以清洗掉多余的MPA ;如此重复至PbS量子点层的厚度为IOOnm ； 4)在真空度为10-2pa、110°C温度下退火30分钟；5)最后在上述处理后的膜上在真空度为10_5条件下热蒸镀厚度为IOOnm的Al阴极，即可制得该太阳能电池。所述PbS量子点的粒径为3. 3-4. Onm,铅和硫的摩尔比为I O. 3-0. 8。所述PbS量子点氯仿溶液的浓度为10mg/ml。所述巯基丙酸(MPA)甲醇溶液的体积百分比浓度为10%。本发明的制备机理在该太阳能电池制备中，PbS的合成用LSS法，用油酸包覆铅离子，一方面可以控制PbS量子点的生长，另一方面可以减少PbS量子点的表面缺陷，进而减少载流子的复合。通过改变Pb和S的比来改变量子点的粒径大小，铅硫的摩尔比越大，粒子的直径越小。由于油酸链有2. 6nm长，且是绝缘的，它会阻止载流子的传输，降低电池的转化效率，因此有必要用短链来置换掉它，本发明用的是巯基丙酸(MPA)，MPA链可以与Pb2+结合以取代长的油酸链，随后的热处理会使MPA与PbS的连接更紧，起到修饰表面缺陷的作用，提高载流子的传输，进而提高电池的转化效率。当PbS量子点吸收光子后，受激电子从价带跃迁到导带，传输后被Al电极搜集形成负极，空穴则被ITO搜集形成正极，在Al电极和ITO之间产生电势差。本发明的优点和积极效果本发明提供了一种全无机的量子点太阳能电池，可以通过调节量子点粒径的大小改变电池对太阳光的吸收，也可以改变电池的开路电压和短路电流，并且制备エ艺简单，制备时间短，制备成本低。
图I是不同铅硫比的PbS量子点的透射电镜图,a.铅硫比是I :0. 3的PbS量子点的透射电镜图，b.铅硫比是I :0. 5的PbS量子点的透射电镜图，c.铅硫比是I :0. 8的PbS量子点的透射电镜图。图2是该全无机肖特基量子点太阳能电池结构示意图。
具体实施例方式一种全无机肖特基量子点太阳能电池，如图2所示，以ITO玻璃(掺Sn的In2O3导电玻璃)为衬底，由ITO阳极、PbS量子点层和铝阴极依次叠加构成，PbS量子点层的厚度为lOOnm，铝阴极的厚度为lOOnm。实施例I :一种所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下I)将ITO玻璃衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、こ醇依次进行超声清洗，然后放在真空箱中80°C下干燥I小时；2)配制PbS量子点氯仿溶液作为旋涂液分别配制20ml浓度为lOmmol/L的醋酸铅水溶液和20ml浓度为3mmol/L硫化钠水溶液，并用超声波处理使其溶解；在磁力搅拌下，在醋酸铅水溶液中加入IOml亚油酸的こ醇溶液，其中亚油酸与こ醇的体积比为I : 5 ;然后加入50ml浓度为5g/l的油酸钠こ醇溶液，在温度为30°C条件下搅拌30min，溶液由乳白色变为澄清，再用漏斗滴入上述硫化钠水溶液，反应30min后离心、清洗、干燥，制得PbS量子点，其分散在氯仿中测得的透射电镜图如图I (a)所示；3)将处理后的ITO玻璃衬底放在旋涂机上，在导电玻璃上滴加上述旋涂液O. 4ml,停留2秒，用600rpm的转速旋涂使其成膜，自然干燥lOmin，滴O. 4ml巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，用3000rpm的转速旋涂，自然干燥5min,然后滴O. 2ml甲醇溶液,用3000rpm的转速旋转以清洗掉多余的MPA，如此重复5次至PbS量子点层的厚度为IOOnm ；4)在真空度为10-2pa、110°C温度下退火30分钟；5)最后在上述处理后的膜上在真空度为10_5条件下热蒸镀厚度为IOOnm的Al阴极，即可制得该太阳能电池。实施例2 一种所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下I)将ITO玻璃衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、こ醇依次进行超声清洗，然后放在真空箱中80°C下干燥I小时；2)配制PbS量子点氯仿溶液作为旋涂液分别配制20ml浓度为10mmol/L的醋酸铅水溶液和20ml浓度为5mmol/L硫化钠水溶液，并用超声波处理使其溶解；在磁力搅拌下，在醋酸铅水溶液中加入IOml亚油酸的こ醇溶液，其中亚油酸与こ醇的体积比为I : 5 ;然后加入50ml浓度为5g/l的油酸钠的こ醇溶液，在温度为30°C条件下搅拌30min，溶液由乳白色变为澄清，再用漏斗滴入上述硫化钠水溶液，反应30min后离心、清洗、干燥，制得PbS量子点，其分散在氯仿中测得的透射电镜图如图I (b)所示；3)将处理后的ITO玻璃衬底放在旋涂机上，在导电玻璃上滴加上述旋涂液O. 5ml,停留2秒，用600rpm的转速旋涂使其成膜，自然干燥lOmin，滴O. 5ml巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，用3000rpm的转速旋涂，自然干燥5min,然后滴O. 3ml甲醇溶液,用3000rpm的转速旋转以清洗掉多余的MPA，如此重复5次至PbS量子点层的厚度为IOOnm ；4)在真空度为10-2pa、110°C温度下退火30分钟；5)最后在上述处理后的膜上在真空度为10_5条件下热蒸镀厚度为IOOnm的Al阴极，即可制得该太阳能电池。实施例3
—种所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，步骤如下
I)将ITO玻璃衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、こ醇依次进行超声清洗，然后放在真空箱中80°C下干燥I小时；2)配制PbS量子点氯仿溶液作为旋涂液分别配制20ml浓度为lOmmol/L的醋酸铅水溶液和20ml浓度为8mmol/L硫化钠水溶液，并用超声波处理使其溶解；在磁力搅拌下，在醋酸铅水溶液中加入IOml亚油酸的こ醇溶液，其中亚油酸与こ醇的体积比为I : 5 ;然后加入50ml浓度为5g/l的油酸钠的こ醇溶液，在温度为30°C条件下搅拌30min，溶液由乳白色变为澄清，再用漏斗滴入上述硫化钠水溶液，反应30min后离心、清洗、干燥，制得PbS量子点，其分散在氯仿中测得的透射电 镜图如图I (c)所示；3)将处理后的ITO玻璃衬底放在旋涂机上，在导电玻璃上滴加上述旋涂液O. 6ml,停留2秒，用600rpm的转速旋涂使其成膜，自然干燥lOmin，滴O. 6ml巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，用3000rpm的转速旋涂，自然干燥5min,然后滴O. 4mI甲醇溶液,用3000rpm的转速旋转以清洗掉多余的MPA，如此重复5次至PbS量子点层的厚度为IOOnm ；4)在真空度为10-2pa、110°C温度下退火30分钟；5)最后在上述处理后的膜上在真空度为10_5条件下热蒸镀厚度为IOOnm的Al阴极，即可制得该太阳能电池。
权利要求
1.一种全无机肖特基量子点太阳能电池，其特征在于以ITO玻璃(掺Sn的In2O3导电玻璃)为衬底，由ITO阳极、PbS量子点层和铝阴极依次叠加构成。
2.根据权利要求I所述全无机肖特基量子点太阳能电池，其特征在于所述PbS量子点层的厚度为lOOnm，铝阴极的厚度为lOOnm。
3.—种如权利要求I所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤如下1)将ITO玻璃衬底分别用洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇、乙醇依次进行超声清洗，然后放在真空箱中80°C下干燥I小时；2)配制PbS量子点氯仿溶液作为旋涂液；3)将处理后的ITO玻璃衬底放在旋涂机上，在导电玻璃上滴加上述旋涂液O.4-0. 6ml,停留2秒，用600rpm的转速旋涂使其成膜，自然干燥lOmin，滴O. 4-0. 6ml巯基丙酸(MPA)的甲醇溶液，用3000rpm的转速旋涂，自然干燥5min,然后滴O. 2-0. 4ml甲醇溶液,用3000rpm的转速旋转以清洗掉多余的MPA ;如此重复至PbS量子点层的厚度为IOOnm ；4)在真空度为10_2pa、110°C温度下退火30分钟；5)最后在上述处理后的膜上在真空度为10_5条件下热蒸镀厚度为IOOnm的Al阴极，即可制得该太阳能电池。
4.根据权利要求3所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于所述PbS量子点的粒径为3. 3-4. Onm,铅和硫的摩尔比为I : O. 3-0. 8。
5.根据权利要求3所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于所述PbS量子点氯仿溶液的浓度为10mg/ml。
6.根据权利要求3所述全无机肖特基量子点太阳能电池的制备方法，其特征在于所述巯基丙酸(MPA)甲醇溶液的体积百分比浓度为10%。
全文摘要
一种全无机肖特基量子点太阳能电池，以ITO玻璃(掺Sn的In2O3导电玻璃)为衬底，由ITO阳极、PbS量子点层和铝阴极依次叠加构成，PbS量子点层的厚度为100nm，铝阴极的厚度为100nm，其制备方法是在清洗、干燥后的衬底上依次旋涂PbS量子点氯仿溶液、巯基丙酸甲醇溶液和甲醇溶液并进行真空热退火，最后真空热蒸镀上铝电极。本发明的优点是该全无机的量子点太阳能电池，可以通过调节量子点粒径的大小改变电池对太阳光的吸收，也可以改变电池的开路电压和短路电流，并且制备工艺简单，制备时间短，制备成本低。
文档编号H01L31/04GK102637754SQ20121005485
公开日2012年8月15日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者任志瑞, 姜立芳, 李岚, 李开祥, 李梦真, 李波, 李萍, 王丽师, 葛林, 陈义鹏 申请人:天津理工大学