[发明专利]基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及光伏器件领域，具体涉及一种基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法。

背景技术

由于太阳光光谱中的能量分布较宽，现有的任何一种半导体材料都只能吸收其中能量比能隙值高的光子。太阳光中能量较小的光子将透过电池，被背电极金属吸收，转变成热能；高能光子超出能隙宽度的多余能量，则通过光生载流子的能量热释作用传给电池材料本身的点阵原子，使材料本身发热。这些能量都不能通过光生载流子传给负载，变成有效的电能。因此单结太阳电池的理论转换效率一般较低。

太阳光光谱可以被分成连续的若干部分，叠层太阳能电池可以将能带宽度与这些部分有最好匹配的材料，按能隙从大到小的顺序从外向里叠合起来，让波长较短的光被最外边的宽隙材料的电池利用，波长较长的光能够透射进去让较窄能隙材料的电池利用，这就有可能最大限度地将光能变成电能，可以大大提高性能和稳定性。

量子点(quantum dots, QDs)是有限数目的纳米尺度原子和分子的集合体，一般粒径范围在2—20nm，由于其粒径尺寸与其激子波尔半径相当因而存在量子尺寸效应，即存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道能级，而且其能隙随粒径减小而不断变宽。所以可以通过合成时控制量子点的粒径来调节量子点的带隙宽度，从而可以实现在叠层太阳能电池中应用同一种材料，避免了寻找能级匹配的不同材料的麻烦。

PbS的激子波尔半径较大，容易实现量子尺寸效应，通过在合成时控制PbS量子点粒径的大小可以使其吸收从红外波段到可见波段可调。从而可实现对太阳光可见到红外波段的吸收。

现有基于PbS量子点电池的专利，有用PbS量子点敏化ZnO纳米片，也有用MDMO-PPV包覆PbS量子点后用于体异质结太阳能电池的，也有基于不同量子点大小的宽光谱太阳能电池，但无论哪一种都是基于单结的电池器件，而本专利是基于两个异质结的叠层量子点电池，更能有效的分离电子和空穴，有利于提高电池性能。

发明内容

本发明的目的是针对目前太阳能电池只能利用太阳光谱中可见部分波段的光，导致电池效率偏低的问题，提供一种基于不同粒径PbS量子点的叠层太阳能电池及制备方法，该量子点叠层太阳能电池，通过调节量子点粒径的大小来调节带隙，并按带隙从大到小的顺序将量子点材料从外向里叠合起来，使外边宽带隙的量子点材料吸收可见部分的光，里面窄带隙的量子点材料吸收红外部分的太阳光，从而大大提高对太阳光谱的吸收，有利于提高电池效率。

本发明的技术方案：

一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池，由玻璃层、ITO层、TiO₂纳米晶层、带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜层、ITO（氧化铟锡）层、TiO₂薄膜层、带隙为1ev的PbS量子点薄膜层和金（Au）电极依次叠加而成，其中ITO层的厚度为50-100纳米，TiO₂纳米晶层的厚度为30-50纳米，两层PbS量子点薄膜的厚度均为100-500纳米，TiO₂薄膜层的厚度为40nm，Au电极的厚度为100-200纳米。

一种基于不同粒径的PbS量子点的叠层太阳能电池的制备方法，步骤如下：

1）将沉积有ITO的玻璃衬底先后经洗洁精、去离子水、丙酮、异丙醇和乙醇超声清洗后，在真空干燥箱中80℃下干燥30分钟；

2）将干燥后的ITO玻璃衬底冷却到室温后放到匀胶机上，将制备好的TiO₂前驱液在1500转每分钟的转速下旋涂20s，然后在400℃下预退火10分钟，重复此过程1次，以达到所需要的膜厚。然后将其在400℃下退火1小时；

3）分别配制25mg/ml的带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液和25mg/ml的带隙为1ev的PbS量子点正己烷溶液作为旋涂液；

4）将退火完成的ITO片子冷却到室温后放到匀胶机上，在其上滴加带隙为1.6ev的PbS量子点正己烷溶液5-6滴，停留5-10秒，在低转速700转每分钟和高转速2000转每分钟下分别旋涂6秒和20秒；

5）将上述旋涂好带隙为1.6ev的PbS量子点薄膜的ITO片子置于真空干燥箱中80℃下干燥30min；

6）将步骤4和步骤5重复不少于3次，直到达到需要的膜厚200纳米；