碳纳米材料作为阴极缓冲层在硫化铅量子点太阳能电池中的应用的制作方法与工艺

本发明属于材料领域，涉及一种碳纳米材料作为阴极缓冲层在硫化铅量子点太阳能电池中的应用。

背景技术：
随着人类面临的环境与能源问题的持续恶化，加强环境保护和开发清洁能源是人类高度关注的焦点。因此，近年来人们对太阳能开发和利用的研究进展极为迅速。作为一种重要的光电能量转换器件，太阳能电池的研究一直受到人们的热切关注。太阳能电池可以分为三大类：第一类是基于半导体p-n结中载流子输运过程的无机固态太阳能电池，包括晶体Si太阳能电池和Si基薄膜太阳能电池等；第二类是基于有机分子材料中光电子化学过程的光电化学太阳能电池，包括染料敏化太阳能电池和聚合物太阳能电池；第三类是基于半导体量子点的太阳能电池，包括硫化铅，硒化铅和硫化镉等量子点太阳能电池。但目前太阳能电池存在能耗高、光电转换效率低等缺点。尽管人们已采用各种方法使太阳能电池的转换效率得到了一定改善，但尚不能使其大幅度提高。找到一种更有效的途径或对策，使太阳能电池的实际能量转换效率接近其理论预测值，成为材料物理、光伏器件与能源科学的一项重大课题。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种碳纳米材料作为阴极缓冲层在硫化铅量子点太阳能电池中的应用。本发明要求保护一种以碳纳米材料作为阴极缓冲层的太阳能电池。上述太阳能电池具体可为硫化铅量子点太阳能电池；所述碳纳米材料选自碳纳米管、石墨烯和石墨炔的至少一种；其中，所述石墨烯的粒径为1-10nm，具体可为4nm；所述碳纳米管具体选自单壁碳纳米管和多壁碳纳米管中的至少一种；所述碳纳米管的长径比为1-100：1。更具体的，所述太阳能电池由下至上依次包括：基底、透明导电电极层、氧化锌量子点层、PbS-TBAI层、PbS-EDT层、所述阴极缓冲层和金电极层。所述基底具体可为刚性基底或柔性基底；其中，所述刚性基底具体为玻璃；所述柔性基底具体为聚酯薄膜；所述聚酯薄膜的相对分子量优选为10000-100000g/mol，更优选20000-80000g/mol，例如70000g/mol。所述透明导电电极层的厚度为50-400nm，优选100-200nm，例如150nm；所述氧化锌量子点层的厚度为20-100nm，优选30-60nm，例如50nm；所述PbS-TBAI层的厚度为200-300nm，优选200-250nm，例如230nm；所述PbS-EDT层的厚度为40-60nm，优选40-50nm，例如50nm；所述阴极缓冲层的厚度为0.2nm-2nm，优选0.5nm-2nm；所述金电极层的厚度为80-200nm，优选100-1500nm，例如120nm。本发明还提供了一种制备所述太阳能电池的方法，该方法包括如下步骤：1)在所述基底上制备一层透明导电电极层；2)在所述透明导电电极上依次制备所述氧化锌量子点层、PbS-TBAI层、PbS-EDT层和阴极缓冲层；3)在所述阴极缓冲层上制备金电极，得到所述太阳能电池。上述方法的步骤1)中，制备方法可为各种常规方法，如具体可为磁控溅射法；所述磁控溅射法中，溅射的真空度具体可为10-4-10-5Pa，更具体可为1×10-4Pa；所述步骤2)中，制备方法可为各种常规方法，如具体可为溶液旋涂法或喷墨打印法；所述溶液旋涂法中，所用溶液的浓度具体可为20-100mg/ml，更具体为50mg/ml；旋涂的速度可为500-10000rpm，具体可为2500rpm；所述喷墨打印法中，所用墨水的浓度具体可为1-100mg/ml，更具体可为20mg/ml；所述步骤3)中，制备方法可为各种常规方法，如具体可为真空蒸镀法。所述真空蒸镀法中，真空度为10-4-10-5Pa，具体为1×10-4Pa；本发明公开了一种基于碳纳米材料作为阴极缓冲层在硫化铅量子点太阳能电池中的应用。该器件结构包括基底，透明导电电极，氧化锌，硫化铅(包括PbS-TBAI和PbS-EDT两层)，碳纳米材料和金电极。碳纳米材料在这种结构中作为一种阴极缓冲层，在这里起到了一个电子阻挡和空穴传输的作用，同时它能有效减少界面处的缺陷态密度和载流子的复合。这些都能够有效地提高器件性能并且不会降低硫化铅量子点太阳能电池的稳定性，具有重要的应用价值。附图说明图1为为碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的器件结构示意图。图2为碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的截面扫描电镜图。图3为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的I-V曲线图对比图。图4为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的外量子效率曲线对比图。图5a为所用氧化锌量子点的透射电镜图。图5b为所用氧化锌量子点的吸收光谱图。图5c为所用氧化锌量子点的X射线衍射图。图5d为所用硫化铅量子点的透射电镜图。图5e为所用硫化铅量子点的吸收光谱图。图5f为所用硫化铅量子点的X射线衍射图。图5g为所用碳纳米材料的透射电镜图。图5h为所用碳纳米材料的吸收光谱图。图5i为所用碳纳米材料的光电子能谱图。图6a为无碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的原子力显微镜图。图6b为有碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的原子力显微镜图图6c为无碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的接触角测试图。图6d为有碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的接触角测试图。图6e为不同薄膜的吸收光谱图。图6f为不同薄膜的紫外光电子能谱图。图7为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的阻抗谱曲线图对比图。图8为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的稳定性对比图。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规方法。所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。实施例11)将基底7做如下预处理：将所述玻璃基底7先后用去离子水，丙酮和异丙醇清洗，再烘干。2)如图1所示，在基底7上磁控溅射150nm厚的透明导电电极6。3)在步骤2)所得的带有透明导电电极的基底制备氧化锌量子点层5，硫化铅(包括PbS-TBAI层4和PbS-EDT层3)，碳纳米材料层2三种活性层；具体步骤包括：将粒径为5nm的氧化锌量子点溶于氯苯中获得50mg/ml浓度的溶液，1000rpm旋涂60s后将基片退火100℃10min，获得厚度为50nm的氧化锌量子点层5；后在其上将粒径为5nm的硫化铅量子点溶于辛烷中获得50mg/ml浓度的溶液，2500rpm旋涂60s后分别在10mg/ml的TBAI甲醇溶液和甲醇溶液中放置1min，旋涂10层，获得厚度为230nm的PbS-TBAI层4；后在其上将粒径为5nm的硫化铅量子点溶于辛烷中获得50mg/ml浓度的溶液，2500rpm旋涂60s后分别在10mg/ml的EDT乙腈溶液和乙腈溶液中放置1min，旋涂2层，获得厚度为50nm的PbS-EDT层3；再将粒径为4nm的石墨烯粉末溶于氯苯中获得1mg/ml浓度的溶液不断加热超声一周，在PbS-EDT层3上1000rpm旋涂60s，得到由石墨烯粉末构成的阴极缓冲层2，厚度为2nm；4)在步骤3)所得活性层上真空蒸镀金极层1，厚度为120nm，得到本发明提供的硫化铅量子点太阳能电池；该太阳能电池由下至上依次包括：基底、透明导电电极层、氧化锌量子点层、PbS-TBAI层、PbS-EDT层、所述阴极缓冲层和金电极层。其中，基底为玻璃基底；透明导电电极层的厚度为150nm；氧化锌量子点层的厚度为50nm；PbS-TBAI层的厚度为230nm；PbS-EDT层的厚度为50nm；由粒径为4nm的石墨烯粉末构成的阴极缓冲层的厚度为2nm；金电极层的厚度为120nm。图2所示为该硫化铅量子点太阳能电池的截面扫描电镜图。图3为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的I-V曲线图对比图。由图可知，碳纳米材料作为一种阴极缓冲层应用于硫化铅量子点太阳能电池后，器件的性能得到了明显提高。图4为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的外量子效率曲线对比图。由图可知，碳纳米材料作为一种阴极缓冲层应用于硫化铅量子点太阳能电池后，器件的外量子效率得到了明显提高。图5a为所用氧化锌量子点的透射电镜图。图5b为所用氧化锌量子点的吸收光谱图。图5c为所用氧化锌量子点的X射线衍射图。图5d为所用硫化铅量子点的透射电镜图。图5e为所用硫化铅量子点的吸收光谱图。图5f为所用硫化铅量子点的X射线衍射图。图5g为所用碳纳米材料的透射电镜图。图5h为所用碳纳米材料的吸收光谱图。图5i为所用碳纳米材料的光电子能谱图。图6a为无碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的原子力显微镜图。图6b为有碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的原子力显微镜图图6c为无碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的接触角测试图。图6d为有碳纳米材料的硫化铅薄膜表面的接触角测试图。图6e为不同薄膜的吸收光谱图。由图可知，碳纳米材料作为一种空穴传输应用于硫化铅量子点太阳能电池后，由于其特别薄吸收特别弱，它并没有增加活性层的吸收，因此其性能的增加不是因为光吸收的增加。图6f为不同薄膜的紫外光电子能谱图。由图可知，碳纳米材料作为一种空穴传输应用于硫化铅量子点太阳能电池后，其表面能级发生变化，能有效减少界面处的缺陷态密度。图7为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的阻抗谱曲线图对比图。由图可知，碳纳米材料作为一种阴极缓冲层应用于硫化铅量子点太阳能电池后，器件里激子的寿命得到了明显提高，能有效减少载流子的复合。图8为有无碳纳米材料作为阴极缓冲层的硫化铅量子点太阳能电池的稳定性对比图。由图可知，碳纳米材料作为一种阴极缓冲层应用于硫化铅量子点太阳能电池后，没有降低器件的稳定性。