一种量子点敏化太阳电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种量子点敏化太阳电池，包括有两相对的透光导电基底，一个透光导电基底表面镀有贵金属层或硫化亚铜层作为对电极，一个透光导电基底表面附有含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层，含量子点的p型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极。对电极和光阴极之间有电解质。本发明可以利用量子点的高消光系数降低光阴极层的厚度，降低了电池的成本，同时也为以后发展高效的光伏器件奠定基础。
【专利说明】一种量子点敏化太阳电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及太阳能电池领域，具体为一种量子点敏化太阳电池。
【背景技术】
[0002]量子点敏化太阳能电池(QDSCs)是染料敏化太阳能电池(DSCs)的重要分支，其结构与DSCs是一致的。QDSCs与DSCs的主要区别在于，采用无机窄禁带的量子点(QDs)取代染料作为吸收太阳光的敏化剂。QDs的诸多优势，使得QDSCs成为目前科学研究的热点。
(I)可以选择的QDs的种类丰富，目前应用于QDSCs的量子点主要是CdS、CdSe、PbS、CuInS2等。每种量子点的本征吸收带边和最佳吸收光的波长范围是不一样的。(2)可以改变QDs的尺寸来改变QDs的禁带宽度。因而，通过调节QDs的种类和尺寸大小可以实现可见光的全吸收。(3)QDs合成方法简便，从而降低了 QDSCs的成本。(4)因为QDs的消光系数很高，可以有效减小光阳极的厚度而不影响吸收光的效率，从而进一步降低QDSCs的成本。(5) QDs可以吸收高能光子并产生多个电子，使得QDSCs的效率增长前景广阔。尽管如此，目前量子点敏化太阳电池的效率通常低于7%，要进一步提高量子点敏化太阳电池的效率，必须对电池的设计思想、结构以及电池的各个部件上做出调整。
[0003]目前对量子点敏化太阳电池的研究普遍集中在以二氧化钛、氧化锌、氧化锡等η型宽带隙半导体为光阳极材料，基本原理是量子点吸收能量大于其禁带宽度的光子后从基态跃迁到激发态，处于激发态的电子迅速注入到η型宽带隙纳米半导体的导带，随后扩散传输到导电基底，通过外回路到达对电极；处于氧化态的量子点被电解质中的还原剂还原再生，而电解质中的氧化剂在对电极接收电子被还原，从而完成电子输运的一个循环过程。
[0004]以纳米结构的量子点敏化光阴极替代传统的贵金属或硫化亚铜对电极构建光阴极量子点敏化太阳电池，其动力学过程与使用η型半导体作为光阳极的量子点敏化太阳电池恰好相反，如图1所示，量子点吸收能量大于其禁带宽度的光子后将电子转移到多硫电解质中；Ρ型半导体价带中的电子转移到量子点的价带中，从而在半导体价带中产生空穴，空穴扩散到底电极经外电路输运到对电极，从而完成空穴输运的一个循环过程。
[0005]P型透明氧化物半导体NiO,铜铁矿结构的ABO2 (A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Ga, In,Sc，Y等)，SrCu2O2等材料已经被证明带隙大于3eV，对可见光不吸收且导电类型为P型，同时，这些氧化物非常稳定。但到目前还没有关于AB02、SrCu2O2作为量子点敏化太阳电池光阴极的发明。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种量子点敏化太阳电池，实现以P型透明导电氧化物半导体纳米材料作为电池的光阴极。以量子点敏化的光阴极替代传统光惰性的对电极，可以拓宽电池的光谱吸收范围，提高电池效率。
[0007]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为:
[0008]一种量子点敏化太阳电池，包括有两相对的透明导电基底，其特征在于:一个透光导电基底表面镀有贵金属层或硫化亚铜层作为对电极，另一个透光导电基底表面附有含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层，所述含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极，所述对电极和光阴极位置相对，且对电极和光阴极之间有电解质。
[0009]一种量子点敏化太阳电池，一个透光导电基底表面附有含量子点敏化的η型氧化物半导体纳米材料层，另一个透光导电基底表面附有含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层，所述含量子点的η型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阳极，所述含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极，所述光阳极和光阴极位置相对，且光阳极和光阴极之间由电解质；所述透光导电基底、含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层、含量子点的η型透明导电氧化物半导体纳米材料层、电解质构成串联量子点敏化太阳电池。
[0010]所述P型透明导电氧化物半导体纳米材料可采用NiO ;或者是铜铁矿结构的ABO2,其中 A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Ga, In, Sc, Y 等；或者是 SrCu2O20
[0011]所述η型氧化物半导体纳米材料可采用二氧化钛，或者是氧化锌，或者是氧化锡。
[0012]本发明构成的量子点敏化太阳电池具有透光导电基底、形成在透光导电基底上的含量子点敏化的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极；以及镀有贵金属或硫化亚铜的透光导电基底作为对电极和在对电极、光阴极之间的电解质层。
[0013]本发明构成的串联量子点敏化太阳电池具有透光导电基底、形成在透光导电基底上的含量子点敏化的η型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阳极的第一基底部件；透光导电基底、形成在透光导电基底上的含量子点敏化的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极的第二基底部件；以及在光阳极、光阴极之间的电解质层。
[0014]本发明与现有技术相比的优点在于:本发明以P型透明导电氧化物半导体纳米材料作为量子点敏化太阳电池的光阴极，取代了传统量子点敏化太阳电池的对电极，组装成量子点敏化太阳电池和既包含光阴极又包含光阳极的串联量子点敏化太阳电池，本发明降低了电池的成本，同时也为以后发展高效的光伏器件奠定基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是传统技术光阳极量子点敏化太阳电池的示意图；
[0016]图2是根据本发明实施方案一的光阴极量子点敏化太阳电池的示意图；
[0017]图3是根据本发明实施方案二的串联量子点敏化太阳电池的示意图。
具体实施方案
[0018]具体实施方案一:
[0019]如图2所不,透光导电基底上具有光阴极本体,其含有量子点。光阴极本体为P型透明导电氧化物半导体纳米材料。P型透明导电氧化物半导体纳米材料的例子有NiO，铜铁矿结构的(A=Cu or Ag, B=Al, Cr, Ga, In, Sc, Y等)，SrCu2O2等材料。光阴极本体的制备方式没有特别的限制，可以是将包含P型透明导电氧化物半导体纳米材料的胶涂覆在透光导电基底上，然后进行烧结来制备半导体光阴极。涂胶的方法包括丝网印刷工艺、刮板工艺、旋涂工艺灯。[0020]本发明实施方案一中对于透光导电基底没有特殊的限制，只要具有透光和导电性质即可。导电基底包括市场上的ITO、FTO玻璃。
[0021]P型透明导电氧化物半导体纳米材料NiO、铜铁矿结构的(A=Cu or Ag, B=Al, Cr,Ga，In，Sc, Y等)、SrCu2O2等的制备没有严格的限制。可以是水热法、溶胶-凝胶法等。
[0022]对于光阴极的厚度没有严格的限制，可以是0.1 - 50微米。半导体光阳极的厚度在10微米左右，厚度在0.1 - 50微米有可能得到改善电池效率的光电转换。
[0023]对光阴极进行热处理，以便提高光阴极与透光导电基底的粘合强度，对热处理的时间和温度没有严格的限制，将热处理的温度控制在100 - 600摄氏度，热处理的时间控制在0.5 - 10小时。
[0024]本发明实施方案一中对于对电极没有特殊的限制，只要具有透光和导电性质即可。导电基底包括市场上的IT0、FT0玻璃。在对电极上镀贵金属层或者硫化亚铜层没有特殊限制，可以是溅射工艺、热蒸发工艺和旋涂工艺等。
[0025]量子点为一些半导体材料，包括硫化镉、硫化亚铜、硒化镉、硫化铅等。对于将量子点沉积到光阴极上的方法没有特殊的限制，可以是化学浴沉积法和连续原子层反应吸附法。
[0026]电解质层可以采用I/Ι3_电解质体系(0.1M硫氰酸胍，0.45Μ N -甲基苯并咪唑，
0.6Μ1，2 - 二甲基-3 -丙基咪唑碘，0.1M碘，甲氧基丙腈溶剂)；或者S2VSn2-电解质体系(1M S，lMNa2S.9Η20，0.IM NaOH，去离子水溶剂)。
[0027]对于电解质的注入没有特殊的限制，可以在两个基底之间提供树脂或玻璃的密封，然后将电解质注入到密封空间中来制备电解质层，在此情况下电解质通过基底的注入孔注入到密封的空间中。
[0028]具体实施方案二:
[0029]如图3所示，根据本发明实施方案二的新型串联量子点敏化太阳电池包括第一基底部件、第二基底部件以及电解质层。第一基底部件具有透光导电基底，形成在基底表面上的且其中包含量子点的η型氧化物半导体纳米材料层的光阳极。第一基底部件具有透光导电基底，形成在基底表面上的且其中包含量子点的P型氧化物半导体纳米材料层的光阴极。
[0030]本发明实施方案二中对于透光导电基底没有特殊的限制，只要具有透光和导电性质即可。导电基底包括市场上的IT0、FT0玻璃。
[0031]第一部件中基底上具有的光阳极本体，其含有量子点。光阳极本体为η型氧化物半导体纳米材料。η型氧化物半导体纳米材料的例子有二氧化钛、氧化锌和氧化锡等。光阳极的制备方式没有特别的限制，可以是将包含η型氧化物半导体纳米材料的胶涂覆在透光导电基底上，然后进行烧结来制备光阳极。涂胶的方法包括丝网印刷工艺、刮板工艺、旋涂
[0032]对于光阳极的厚度没有严格的限制，可以是0.1 - 50微米。半导体光阳极的厚度在10微米左右，厚度在0.1 - 50微米有可能得到改善电池效率的光电转换。
[0033]对光阳极进行热处理，以便提高光阴极与透光导电基底的粘合强度，对热处理的时间和温度没有严格的限制，将热处理的温度控制在100 - 600摄氏度，热处理的时间控制在0.5 - 10小时。[0034]量子点为一些半导体材料，包括硫化镉、硫化亚铜、硒化镉、硫化铅等。对于将量子点沉积到光阴极上的方法没有特殊的限制，可以是化学浴沉积法和连续原子层反应吸附法。[0035]第二部件中基底上具有的光阴极本体，其上粘合有量子点。光阴极为P型透明导电氧化物半导体纳米材料。P型透明导电氧化物半导体纳米材料的例子有NiO、铜铁矿结构的(A=Cuor Ag, B=Al, Cr, Ga, In, Sc, Y等)、SrCu2O2等。光阴极本体的制备方法没有严格的限制。可以是将包含P型氧化物半导体纳米材料的胶涂覆在透光导电基底上，然后进行烧结来制备光阴极。涂胶的方法包括丝网印刷工艺、刮板工艺、旋涂工艺等。
[0036]P型透明导电氧化物半导体纳米材料NiO、铜铁矿结构的(A=Cu or Ag, B=Al, Cr,Ga，In，Sc, Y等)、SrCu2O2等的制备没有严格的限制。可以是水热法、溶胶-凝胶法等。
[0037]同样，对于光阴极的厚度没有严格的限制，可以是0.1 -50微米。半导体光阳极的厚度在10微米左右，厚度在0.1 - 50微米有可能得到改善电池效率的光电转换。
[0038]对光阴极进行热处理，以便提高光阴极与透光导电基底的粘合强度，对热处理的时间和温度没有严格的限制，将热处理的温度控制在100 - 600摄氏度，热处理的时间控制在0.5 - 10小时。
[0039]本发明实施方案一中对于对电极没有特殊的限制，只要具有透光和导电性质即可。导电基底包括市场上的IT0、FT0玻璃。在对电极上镀贵金属层或者硫化亚铜层没有特殊限制，可以是溅射工艺、热蒸发工艺和旋涂工艺等。
[0040]量子点为一些半导体材料，包括硫化镉、硫化亚铜、硒化镉、硫化铅等。对于将量子点沉积到光阴极上的方法没有特殊的限制，可以是化学浴沉积法和连续原子层反应吸附法。
[0041]电解质层可以采用电解质体系(0.1M硫氰酸胍，0.45Μ N -甲基苯并咪唑，
0.6Μ1，2 - 二甲基-3 -丙基咪唑碘，0.1M碘，甲氧基丙腈溶剂)；或者S2VSn2-电解质体系(1M S，lMNa2S.9Η20，0.IM NaOH，去离子水溶剂)。[0042]对于电解质的注入没有特殊的限制，可以在两个基底之间提供树脂或玻璃的密封，然后将电解质注入到密封空间中来制备电解质层，在此情况下电解质通过基底的注入孔注入到密封的空间中。
[0043]本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
[0044]以上所述，仅为本发明中的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种量子点敏化太阳电池，包括有两个相对的透光导电基底，其特征在于:一个透光导电基底表面镀有贵金属层或硫化亚铜层作为对电极，另一个透光导电基底表面附有含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层，所述含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极，所述对电极和光阴极位置相对，且对电极和光阴极之间有电解质。
2.一种量子点敏化太阳电池，其特征在于:一个透光导电基底表面附有含量子点敏化的η型氧化物半导体纳米材料层，另一个透光导电基底表面附有含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层，所述含量子点的η型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阳极，所述含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层作为光阴极，所述光阳极和光阴极位置相对，且光阳极和光阴极之间由电解质；所述透光导电基底、含量子点的P型透明导电氧化物半导体纳米材料层、含量子点的η型透明导电氧化物半导体纳米材料层、电解质构成串联量子点敏化太阳电池。
3.根据权利要求1或2所述的一种量子点敏化太阳电池，其特征在于:所述P型透明导电氧化物半导体纳米材料采用NiO ;或者是铜铁矿结构的ABO2,其中A=Cu or Ag, B=Al, Cr,Ga, In, Sc, Y ;或者是 SrCu202。
4.根据权利要求2所述的一种量子点敏化太阳电池，其特征在于:所述η型氧化物半导体纳米材料采用二氧化钛，或者是氧化锌，或者是氧化锡。
【文档编号】H01G9/20GK103474244SQ201310426296
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】邓赞红, 方晓东, 董伟伟, 邵景珍 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院