[发明专利]具有光子晶体结构的量子点敏化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种太阳能电池技术领域，具体的是一种具有光子晶体结构的量子点敏化太阳能电池及其制备方法。

背景技术

太阳能的开发利用对解决能源危机和发展低碳经济都具有极其重要的作用，其中太阳能电池是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。目前，太阳能电池共分三代，第一代是硅基太阳能电池，主要是制备技术和设备比较成熟；第二代是薄膜式太阳能电池，薄膜式太阳能电池在其吸收层的厚度仅在数微米甚至数百纳米之间，因此可以大幅节省材料的使用量；第三代高效能太阳能电池，采用新颖的元件结构设计或应用新材料，以制造出高效能与低发电成本的太阳能电池。本发明所述的太阳能电池属于第三代太阳能电池。

量子点敏化太阳能电池由于具备高的理论转换效率和低生产成本，引起了科学界的广泛关注。量子点材料同传统材料相比，具有价格低廉、吸收范围宽广和较为稳定等诸多优点。量子点敏化材料具有量子点所特有的量子限制效应、碰撞离化效应、俄歇效应及小带结构，这些特征可以用来增强光电转换效率。

光子晶体是一种由介电材料在空间周期排布组成的新型材料，光子晶体最根本的特征是具有光子带隙，落在带隙中的光被禁止传播，自发辐射的光频率正好落在光子带隙中时，由于该频率光子态的数目为零，因此自发辐射几率为零，自发辐射被抑制。近年来，光子晶体的慢光效应也开始受到人们的重视而被研究。慢光效应就是电磁波在进入材料内后，其群速度下降，使得能量在介质中的停留时间增加。

迄今为止，量子点敏化太阳能电池的光电转换效率仍然远低于传统太阳能电池。本发明正是通过利用光子晶体的特点，在量子点敏化电池中引入光子晶体结构，增强了量子点的光吸收并抑制了其电子空穴的复合，使太阳能电池的光电转换效率大幅提高，为制备第三代高效低成本的太阳能电池迈进一步。

发明内容：

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种具有光子晶体结构的量子点敏化太阳能电池及其制备方法，该太阳能电池通过利用光子晶体的特点，在量子点敏化电池中引入光子晶体结构，增强了量子点的光吸收并抑制了其电子空穴的复合，使太阳能电池的光电转换效率大幅提高。

本发明的技术方案：

一种具有光子晶体结构的量子点敏化太阳能电池，由玻璃层、FTO导电层、光子晶体结构层和铂对电极叠加构成，其中光子晶体结构层包括光阳极、电解液和吸附在光阳极上的量子点，光阳极的厚度为200纳米-10微米。

所述光阳极材料为二氧化钛。

所述电解液为硫离子/硫氧化还原对(S^2-/S_n^2-)，浓度为0.2-1mol/L。

所述量子点材料为硫化镉。

一种所述具有光子晶体结构的量子点敏化太阳能电池的制备方法，步骤如下：

1)利用开源软件MPB进行数值模拟计算：用平面波展开法对光阳极材料的光子晶体结构进行能带计算，找出其慢波频率和带隙频率所在位置，然后选取吸收谱在慢波频率、发射谱在带隙频率范围内的量子点材料作为敏化剂；

2)将FTO玻璃进行预处理，将FTO玻璃切成12×30mm的玻璃片，用质量百分比浓度为98.3％的H₂SO₄与质量百分比浓度为30％的H₂O₂按体积比为4∶1的混合溶液在80℃下浸泡10min，然后用去离子水冲洗干净；

3)采用自组装法在洗净的FTO玻璃片上制备光子晶体结构薄膜：自组装法采用垂直沉积法，将FTO玻璃垂直插入质量百分比浓度为0.5-3％的聚苯乙烯微球悬浮液中，并将其静置于温度为44.5-45.5℃的干燥箱中生长3-6天；

4)采用循环化学浴沉积法组装量子点：将长有光子晶体结构的薄膜放入具有阳离子反应物的硝酸镉或硝酸铅溶液中反应5分钟，取出后用去离子水清洗以去除光子晶体薄膜表面多余的反应物，然后再浸入具有阴离子反应物硫化钠的溶液中反应5分钟，使量子点在光子晶体薄膜表面生成，将上述反应过程重复4次以得到足够的量子点；

5)电解液的配置及电池的组装：配制浓度为0.2-1mol/L的硫离子/硫氧化还原对电解液，用热封薄膜制成框架结构夹在FTO玻璃与铂电极之间，加热后进行封装，即可制得该太阳能电池。