一种Z型异质结太阳能电池及其制备方法

本发明涉及光电材料与应用领域，具体涉及一种z型异质结太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、当今社会面临能源短缺以及环境污染的双重挑战，时代发展迫切要求我们发展可再生的清洁能源。太阳能由于其环境友好、可再生、并且分布广泛，所以发展新型的太阳能电池愈加受到重视。生物太阳能电池具有良好的柔性、质量较轻、制备工艺简单且成本低廉已获得业内人士的青睐。

2、叶绿素及其衍生物作为地球上含量最为丰富的天然光合染料，具有吸收可见以及近红外光、电荷转移以及能量转移的能力。同时，在制备叶绿素薄膜的过程中溶剂快速挥发时，叶绿素分子之间可以形成π-π堆积的j-型聚集体，使得π电子可以在整个聚集体上游离而不仅仅局限于单体分子的四吡咯环，从而增加叶绿素聚集体的载流子迁移率。并且之前的研究已证明了绝大多数叶绿素都具有双极性特征(organic electronics,14(2013)1972-1979)可以使其或为p型材料或为n型材料应用于光伏器件中。

3、现有技术中仍没有一种可以有效地将光能转换成电能的方法，并根据该方法制备生物太阳能电池器件。

技术实现思路

1、为了通过模拟自然界中天然光合成体系的电子传输方法，有效将光能转换成电能，本发明提出一种z型异质结太阳能电池及其制备方法，电池结构自下而上依次包括透明导电玻璃、电子传输层、仿光系统ⅰ、仿光系统ⅱ、空穴传输层和金属阳极，其中：

2、透明导电玻璃的材料为氧化铟锡ito；

3、电子传输层的材料为氧化锌zno；

4、仿光系统ⅰ的材料为3-乙烯基-3-羟甲基-含锌焦脱镁叶绿酸-a聚集体chl-a；

5、仿光系统ⅱ的材料为级能低于chl-a的叶绿素衍生物材料；

6、空穴传输层的材料为氧化钼moo3；

7、金属阳极的材料为银ag。

8、进一步的，仿光系统ⅱ采用的叶绿素衍生物材料为32-二氰基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d1、131-脱氧-131-二氰基亚甲基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d2、32-二氰基-焦脱镁叶绿酸-a chl-d3或131-脱氧-131-二氰基亚-甲基焦脱镁叶绿酸-achl-d4。

9、具体地，本发明采用的叶绿素衍生物材料的分子式结构如下：

10、

11、本发明还提供一种z型异质结太阳能电池的制备方法，用于制备一种z型异质结太阳能电池，具体包括以下步骤：

12、对氧化铟锡ito进行清洗，清洗后利用臭氧处理30分钟；

13、将氧化铟锡ito放置在匀胶机上旋涂zno前驱体溶液，其旋涂过程为3000rpm/min旋转30s，形成一层前驱体薄膜，然后立刻放置在热台上进行退火处理，其退火温度及时间为200℃退火30分钟；

14、在zno基底上旋涂chl-a溶液，其旋涂过程为滴涂3000rpm/min时间60s；

15、在n2手套箱中以3000rpm/min的转速滴涂叶绿素衍生物材料溶液到吸光层上，滴涂时间为60s；

16、利用有机蒸发镀膜机在压强为4×10-4时蒸镀氧化钼，其蒸发速率为共蒸发膜厚为10nm；

17、利用有机蒸发镀膜机在压强小于5×10-4时蒸镀金属ag，其蒸发速率为共蒸发膜厚为100nm。

18、进一步的，叶绿素衍生物材料溶液根据32-二氰基-含锌焦脱镁叶绿酸-achl-d1、131-脱氧-131-二氰基亚甲基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d2、32-二氰基-焦脱镁叶绿酸-achl-d3或131-脱氧-131-二氰基亚-甲基焦脱镁叶绿酸-a chl-d4进行制备。

19、进一步的，chl-d1溶液、chl-d2溶液、chl-d3溶液、chl-d4溶液的制备包括：在n2手套箱中分别配置chl-d1、chl-d2、chl-d3、chl-d4，分别将chl-d1、chl-d2、chl-d3、chl-d4溶于氯仿5mg/ml的溶液，室温搅拌至溶解，分别得到chl-d1溶液、chl-d2溶液、chl-d3溶液、chl-d4溶液。

20、进一步的，zno前驱体溶液的制备包括：将2g的乙酸锌二水合物溶于2ml的乙二醇甲醚中，并加入56μl的乙醇胺作为稳定剂，在室温下搅拌过夜待用。

21、进一步的，chl-a溶液的制备包括：在n2手套箱中配制chl-a，并将chl-a溶于四氢呋喃的5mg/ml溶液，室温搅拌至溶解。

22、进一步的，对氧化铟锡ito进行清洗的过程包括依次用ito清洗剂、去离子水、酒精、丙酮、异丙醇各进行两遍超声处理30分钟。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、(1)本发明首次模拟了自然界中z型光合作用的电子转移过程并应用于生物太阳能电池中；

25、(2)本发明所使用的仿光系统i以及仿光系统ii均属于叶绿素衍生物，作为地球上最为丰富的天然染料，合成路线简单、无毒无害、环境友好；

26、(3)本发明所采用的制备工艺简单，生产成本低；

27、(4)本发明首次提出使用叶绿素材料作为全部吸光层，并且这五种叶绿素材料都能不同程度上形成聚集体，可以提高载流子迁移率。

技术特征：

1.一种z型异质结太阳能电池，其特征在于，电池结构自下而上依次包括透明导电玻璃、电子传输层、仿光系统ⅰ、仿光系统ⅱ、空穴传输层和金属阳极，其中：

2.根据权利要求1所述的一种z型异质结太阳能电池，其特征在于，仿光系统ⅱ采用的叶绿素衍生物材料为32-二氰基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d1、131-脱氧-131-二氰基亚甲基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d2、32-二氰基-焦脱镁叶绿酸-achl-d3或131-脱氧-131-二氰基亚-甲基焦脱镁叶绿酸-a chl-d4。

3.一种z型异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1所述的一种z型异质结太阳能电池，具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种z型异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，叶绿素衍生物材料溶液根据32-二氰基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d1、131-脱氧-131-二氰基亚甲基-含锌焦脱镁叶绿酸-a chl-d2、32-二氰基-焦脱镁叶绿酸-achl-d3或131-脱氧-131-二氰基亚-甲基焦脱镁叶绿酸-a chl-d4进行制备。

5.根据权利要求4所述的一种z型异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，chl-d1溶液、chl-d2溶液、chl-d3溶液、chl-d4溶液的制备包括：在n2手套箱中分别配置chl-d1、chl-d2、chl-d3、chl-d4，分别将chl-d1、chl-d2、chl-d3、chl-d4溶于氯仿5mg/ml的溶液，室温搅拌至溶解，分别得到chl-d1溶液、chl-d2溶液、chl-d3溶液、chl-d4溶液。

6.根据权利要求3所述的一种z型异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，zno前驱体溶液的制备包括：将2g的乙酸锌二水合物溶于2ml的乙二醇甲醚中，并加入56μl的乙醇胺作为稳定剂，在室温下搅拌过夜待用。

7.根据权利要求3所述的一种z型异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，chl-a溶液的制备包括：在n2手套箱中配制chl-a，并将chl-a溶于四氢呋喃的5mg/ml溶液，室温搅拌至溶解。

8.根据权利要求3所述的一种z型异质结太阳能电池的制备方法，其特征在于，对氧化铟锡ito进行清洗的过程包括依次用ito清洗剂、去离子水、酒精、丙酮、异丙醇各进行两遍超声处理30分钟。

技术总结
本发明涉及光电材料与应用领域，具体涉及一种Z型异质结太阳能电池及其制备方法，太阳能电池包括透明导电玻璃、电子传输层、第一仿光系统、第二仿光系统、空穴传输层和金属阳极，其中透明导电玻璃的材料为氧化铟锡；电子传输层的材料为氧化锌；第一仿光系统的材料为3‑乙烯基‑3‑羟甲基‑含锌焦脱镁叶绿酸‑a聚集体Chl‑A；第二仿光系统的材料为级能低于Chl‑A的叶绿素衍生物材料；空穴传输层的材料为氧化钼；金属阳极的材料为银；本发明模拟了自然界中Z型光合作用的电子转移过程，所制备的Z型异质结太阳能电池器件具有高生物兼容性和低环境污染，可以有效提升光能转换成电能的效率。

技术研发人员：段胜楠,顾腾,李厚博,陈嘉铭,刘一超,陈俊祥
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15