[发明专利]全无机氧化物高效量子点太阳电池及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源先进制造技术领域，涉及一种新型全无机氧化物结构量子点太阳电池及其制作方法。本发明是利用空气中稳定PbSe/CdSe核壳量子点替代PbSe量子点，与金属氧化物薄膜构成新型的太阳电池。

技术背景

太阳电池是一种可持续、符合环保要求的再生性能源，完全满足新能源发展战略的要求。根据所用材料的不同，太阳电池主要有四种类型：硅太阳电池；多元化合物薄膜太阳电池；有机聚合物太阳电池；量子点(quantum dots，缩写QDs)太阳电池。硅太阳电池是当前比较成熟的技术，效率高(可以达到28％)，但价格较高，工艺复杂；多元化合物薄膜太阳电池，理论上的效率可以达到30％(对CdTe)和25％(对GaAs)，实验结果达到16-22％，缺点是材料制备要求苛刻、工艺复杂，有些材料是稀有元素，缺乏柔性等；有机聚合物太阳电池是近几年太阳电池的研究方向之一，尽管它的转换效率只有5-9％，但它具有分子结构自行设计合成、易加工、成本低、柔性好等特点；量子点太阳电池利用高比表面积量子点薄膜，获得高的转换效率，而且量子点具有量子尺寸受限效应，会导致多激子产生，理论预计转换效率可以达到60.3％以上。

量子点太阳电池的光敏材料主要是CdSe量子点和PbSe量子点。其中，CdSe量子点的吸收光谱主要在可见光区间，未能有效利用太阳能红外区间的能量，因此，具有红外吸收特性的PbSe量子点更受研究者的关注。在现有红外波段的QDs中，PbSe QDs的量子效率最高，能达到89％。同时，PbSe QDs具有较大的波尔半径，较小的电子空穴有效质量，使其与其他量子点材料相比，具有最为明显得多激子产出现象，理论转化效率为众多量子点之首。但是PbSe/CdSe量子点在空气中极易被氧化，PbSe量子点在空气中放置1-2天后，PL(光致发光)会下降90％以上；放置在空气中的PbSe量子点溶液，在12天后，由于氧化而变成无色溶液，PbSe量子点几乎完全变质。因此，PbSe量子点太阳电池需要封装在惰性气体的环境中工作。

目前，在现有的量子点太阳电池中，普遍采用有机聚合与有机聚合体共混作为转化层，有机聚合体作为载流子收集层，虽然可以提高载流子的迁移能力，但是有机材料怕水、氧，易氧化，需要在特殊的惰性环境条件下工作。这对于量子点太阳电池的发展和产业化十分不利。

为了解决这个问题，本发明利用PbSe/CdSe核壳QDs替代PbSe量子点，同时利用金属氧化物代替有机物作为载流子收集层，制作了无机结构的太阳电池。其保留了量子点太阳能电池高的光电转化效率，同时由于材料采用无机氧化物，具有极强的抗氧化性，极大的提高了稳定性。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种新型结构的全无机氧化物高效量子点太阳电池，采用PbSe/CdSe核壳量子点替代PbSe量子点，用NiO和ZnO薄膜替代有机材料作为空穴和电子收集层，集成出耐氧化的高效量子点太阳电池。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种全无机氧化物高效量子点太阳电池，由PbSe/CdSe核壳量子点薄膜、NiO薄膜和ZnO纳米薄膜以及阳极和阴极组成，所述NiO薄膜3作为空穴的收集层，其禁带宽度依赖于薄膜厚度因素，最高被占用分子轨道在5.4eV附近；所述ZnO纳米薄膜5作为电子的收集层，其禁带宽度依赖于ZnO纳米晶合成尺寸因素，最低未占据分子轨道在4.3eV附近，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与ZnO纳米薄膜5界面构成异质结，形成的电势差有助于光生电子从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4迁移进入氧化物电子收集层，PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4与NiO薄膜3界面构成异质结，有助于光生空穴从PbSe/CdSe核壳量子点薄膜4迁移进入氧化物空穴收集层；所述阳极为ITO电极2，所述阴极为Ag电极6

上述的一种全无机氧化物高效量子点太阳电池的制作方法，包括以下步骤：

步骤一、NiO薄膜3的制备

在太阳电池制作前，将带有60nm ITO电极2的玻璃衬底1用超声净洗后，分别置于清洗液、去离子水、丙酮和异丙醇中清洗2次，每次15分钟；在150℃下烘烤10分钟后，进行紫外线处理；然后，使用射频磁控溅射仪在ITO电极2表面生长20nm NiO薄膜3作为空穴收集层，其生长条件为：生长速率氧氩比2∶100、压强6毫托、射频功率200W；

步骤二、PbSe/CdSe核壳量子点的合成与薄膜制备