一种量子点太阳能电池及其制备方法与流程

本发明属于太阳能电池，涉及一种量子点太阳能电池，尤其涉及一种量子点太阳能电池及其制备方法。

背景技术：

1、随着清洁能源需求的迅速增加，太阳能技术不断发展和改进，被认为是满足全球范围内日益增长的电力和能源需求的潜在途径。量子点太阳能电池(qdscs)作为第三代太阳能电池之一，因其尺寸、可调带隙、高稳定性和极低成本等卓越特性，在光伏应用中引起了广泛关注。

2、然而，当前量子点太阳能电池的研究仍存在以下问题：(1)qdscs效率较低：尽管技术人员已经做出了重要的努力，但目前量子点太阳能电池的效率仍然相对较低，这意味着在转换太阳能为电能的过程中仍存在较多的能量损失，需要进一步提高效率。(2)载流子浓度和迁移率的限制：低效率的主要原因之一是载流子浓度和迁移率的限制，这意味着在电荷分离和传输过程中仍存在着瓶颈，导致能量转换的明显损失。(3)空穴传输层(htl)选择和优化的挑战：htl在qdscs性能优化中起着关键作用，选择合适的htl材料并优化其性能成为较大的技术挑战，研究人员需要找到具有适当能级结构和良好空穴传输特性的材料。

3、由此可见，如何提供一种量子点太阳能电池及其制备方法，选择合适的htl材料并优化其性能，提高载流子的收集效率和传输速率，改善器件性能，实现更高的光电转换效率，同时降低制造成本，成为了目前本领域技术人员迫切需要解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种量子点太阳能电池及其制备方法，所述量子点太阳能电池通过选择合适的htl材料并优化其性能，提高了载流子的收集效率和传输速率，改善了器件性能，实现了更高的光电转换效率，同时降低了制造成本，有利于大规模推广应用。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种量子点太阳能电池，所述量子点太阳能电池包括层叠设置的导电玻璃层、电子传输层、量子点吸收层、空穴传输层和金属电极层。

4、所述量子点吸收层的材质包括pbs-tbai。

5、所述空穴传输层的材质包括mote2。

6、本发明中，所述tbai指代四丁基碘化铵。

7、本发明提供的量子点太阳能电池采用可调带隙且高稳定性的pbs-tbai作为量子点吸收层，能够有效地吸收太阳能并产生电荷载流子对，同时引入mote2作为空穴传输层，相较于传统材料，mote2具有更低的电子亲和能级和优异的空穴传输特性，能够有效地收集和传输光生空穴，有助于提高载流子的收集效率和传输速率，缓解了光衰和性能退化问题，从而显著改善了器件性能，实现了更高的光电转换效率与能量产出以及更长期的稳定性与可靠性。

8、此外，本发明所采用的pbs-tbai和mote2具有较低的制造成本，从而降低了量子点太阳能电池的生产投入，使其更具商业化应用潜力，有利于大规模推广应用。

9、优选地，所述导电玻璃层的材质包括ito玻璃基片或fto玻璃基片。

10、优选地，所述电子传输层的材质包括wo3。

11、本发明采用wo3作为电子传输层，有助于高效地输运电子并促进电荷分离与传输，wo3具有良好的电子亲和能级和导电性能，可显著提高器件的效率。

12、优选地，所述金属电极层的材质包括au。

13、优选地，所述电子传输层的厚度为40-100nm，例如可以是40nm、50nm、60nm、70nm、80nm、90nm或100nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

14、优选地，所述量子点吸收层的厚度为200-320nm，例如可以是200nm、210nm、220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、270nm、280nm、290nm、300nm、310nm或320nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

15、优选地，所述空穴传输层的厚度为15-30nm，例如可以是15nm、16nm、17nm、18nm、19nm、20nm、21nm、22nm、23nm、24nm、25nm、26nm、27nm、28nm、29nm或30nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

16、优选地，所述金属电极层的厚度为65-110nm，例如可以是65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、100nm、105nm或110nm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

17、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述量子点太阳能电池的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

18、(1)获取导电玻璃基片，在所述导电玻璃基片的表面沉积金属氧化物作为电子传输层；

19、(2)混合pbs纳米颗粒、tbai化合物和有机溶剂，加热后制得量子点吸收液；

20、(3)将量子点吸收液旋涂在电子传输层的表面后进行热处理，在电子传输层的表面制得量子点吸收层；

21、(4)利用mo源和te源在量子点吸收层的表面沉积mote2作为空穴传输层；

22、(5)在空穴传输层的表面沉积金属单质作为金属电极层，制得量子点太阳能电池。

23、其中，步骤(1)和步骤(2)不分先后顺序。

24、优选地，步骤(1)所述导电玻璃基片包括ito玻璃基片或fto玻璃基片。

25、优选地，步骤(1)所述导电玻璃基片在沉积金属氧化物前经过超声波清洗。

26、优选地，步骤(1)所述沉积的方式包括磁控溅射。

27、优选地，所述磁控溅射的功率为50-200w，例如可以是50w、60w、70w、80w、90w、100w、110w、120w、130w、140w、150w、160w、170w、180w、190w或200w，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

28、优选地，所述磁控溅射的时间为5-30min，例如可以是5min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min、26min、28min或30min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

29、优选地，所述磁控溅射过程中，基片与靶材之间的距离为5-10cm，例如可以是5cm、5.5cm、6cm、6.5cm、7cm、7.5cm、8cm、8.5cm、9cm、9.5cm或10cm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

30、优选地，所述磁控溅射所用靶材的平均直径为2-3英寸，例如可以是2英寸、2.1英寸、2.2英寸、2.3英寸、2.4英寸、2.5英寸、2.6英寸、2.7英寸、2.8英寸、2.9英寸或3英寸，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

31、优选地，步骤(1)所述金属氧化物包括wo3。

32、优选地，步骤(2)所述有机溶剂包括二甲基甲酰胺和/或二氯甲烷。

33、优选地，步骤(2)所述混合的过程中伴随着搅拌，且搅拌的速率为500-1200rpm，例如可以是500rpm、600rpm、700rpm、800rpm、900rpm、1000rpm、1100rpm或1200rpm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

34、优选地，步骤(2)所述加热的温度为60-95℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃或95℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

35、优选地，步骤(3)所述旋涂的圈数为2600-5000圈，例如可以是2600圈、2800圈、3000圈、3200圈、3400圈、3600圈、3800圈、4000圈、4200圈、4400圈、4600圈、4800圈或5000圈，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

36、优选地，步骤(3)所述旋涂的时间为15-35s，例如可以是15s、16s、18s、20s、22s、24s、26s、28s、30s、32s、34s或35s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

37、优选地，步骤(3)所述热处理在氮气氛围中进行。

38、优选地，步骤(3)所述热处理的温度为90-135℃，例如可以是90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃、120℃、125℃、130℃或135℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

39、优选地，步骤(3)所述热处理的时间为0.5-2h，例如可以是0.5h、0.6h、0.8h、1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h或2h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

40、优选地，步骤(4)所述mo源由mo薄片经过第一高温还原反应制得。

41、优选地，所述mo薄片的纯度≥5n，即99.999％，例如可以是99.9991％、99.9992％、99.9993％、99.9994％或99.9995％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

42、优选地，所述第一高温还原反应在氩气氛围中进行。

43、优选地，所述第一高温还原反应的温度为650-900℃，例如可以是650℃、660℃、680℃、700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃、860℃、880℃或900℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

44、优选地，所述第一高温还原反应的时间为1.5-6h，例如可以是1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

45、优选地，步骤(4)所述te源由te粉末经过第二高温还原反应制得。

46、优选地，所述te粉末的纯度≥5n，即99.999％，例如可以是99.9991％、99.9992％、99.9993％、99.9994％或99.9995％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

47、优选地，所述第二高温还原反应在氩气氛围中进行。

48、优选地，所述第二高温还原反应的温度为300-500℃，例如可以是300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、420℃、440℃、460℃、480℃或500℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

49、优选地，所述第二高温还原反应的时间为0.5-2h，例如可以是0.5h、0.6h、0.8h、1h、1.2h、1.4h、1.6h、1.8h或2h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

50、优选地，步骤(4)所述沉积的方式包括化学气相沉积。

51、优选地，所述化学气相沉积在80-120mtorr的氩气氛围中进行，例如可以是80mtorr、85mtorr、90mtorr、95mtorr、100mtorr、105mtorr、110mtorr、115mtorr或120mtorr，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

52、优选地，所述化学气相沉积的温度为650-850℃，例如可以是650℃、660℃、680℃、700℃、720℃、740℃、760℃、780℃、800℃、820℃、840℃或850℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

53、优选地，所述化学气相沉积的时间为5-25min，例如可以是5min、6min、8min、10min、12min、14min、16min、18min、20min、22min、24min或25min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

54、优选地，步骤(5)所述沉积的方式包括真空蒸镀。

55、优选地，所述真空蒸镀的速率为0.02-0.2nm/s，例如可以是0.02nm/s、0.04nm/s、0.06nm/s、0.08nm/s、0.1nm/s、0.12nm/s、0.14nm/s、0.16nm/s、0.18nm/s或0.2nm/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

56、优选地，步骤(5)所述金属单质包括au。

57、作为本发明第二方面优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

58、(1)获取ito玻璃基片或fto玻璃基片，超声波清洗后在基片的表面磁控溅射wo3作为电子传输层；所述磁控溅射的功率为50-200w，时间为5-30min，基片与靶材之间的距离为5-10cm，靶材的平均直径为2-3英寸；

59、(2)将pbs纳米颗粒和tbai化合物溶解在二甲基甲酰胺和/或二氯甲烷中，同时伴随着速率为500-1200rpm的搅拌，在60-95℃下加热后制得量子点吸收液；

60、(3)将量子点吸收液旋涂在电子传输层的表面，旋涂的圈数为2600-5000圈，时间为15-35s，之后在氮气氛围中进行热处理，且热处理的温度为90-135℃，时间为0.5-2h，在电子传输层的表面制得量子点吸收层；

61、(4)利用mo源和te源在量子点吸收层的表面经化学气相沉积制得mote2作为空穴传输层；所述化学气相沉积在80-120mtorr的氩气氛围中进行，且温度为650-850℃，时间为5-25min；所述mo源由纯度≥5n的mo薄片经过第一高温还原反应制得，且所述第一高温还原反应在氩气氛围中进行，温度为650-900℃，时间为1.5-6h；所述te源由纯度≥5n的te粉末经过第二高温还原反应制得，且所述第二高温还原反应在氩气氛围中进行，温度为300-500℃，时间为0.5-2h；

62、(5)采用真空蒸镀的方式，以0.02-0.2nm/s的速率在空穴传输层的表面沉积金属单质au作为金属电极层，制得量子点太阳能电池。

63、其中，步骤(1)和步骤(2)不分先后顺序。

64、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

65、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

66、(1)本发明提供的量子点太阳能电池采用可调带隙且高稳定性的pbs-tbai作为量子点吸收层，能够有效地吸收太阳能并产生电荷载流子对，同时引入mote2作为空穴传输层，相较于传统材料，mote2具有更低的电子亲和能级和优异的空穴传输特性，能够有效地收集和传输光生空穴，有助于提高载流子的收集效率和传输速率，缓解了光衰和性能退化问题，从而显著改善了器件性能，实现了更高的光电转换效率与能量产出以及更长期的稳定性与可靠性；

67、(2)本发明所采用的pbs-tbai和mote2具有较低的制造成本，从而降低了量子点太阳能电池的生产投入，使其更具商业化应用潜力，有利于大规模推广应用。