[发明专利]一种用于太阳能电池吸光层的纳米晶薄膜制备方法

说明书

本发明涉及一种用于太阳能电池吸光层的纳米晶薄膜制备方法，首先将有机长链配体修饰分散性良好的半导体纳米晶墨水通过旋涂方式沉积于指定的导电基底，后用卤族原子配体溶液处理制备纳米晶薄膜。将所获得纳米晶薄膜基底以一定角度置于离心管中，并在预处理保温离心管中加入有机混合溶剂以一定的转速处理一段时间。通过对基底角度、有机混合溶剂成分比例、转速及时间等参数的调控，可以获得微观结构致密且电学性能优异的纳米晶薄膜。该方法尤其适用于预先合成纳米晶薄膜后期优化处理，工艺简单且可重复性较好，在微纳光伏器件领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于光伏材料领域，具体涉及一种用于太阳能电池吸光层的纳米晶薄膜制备方法。

背景技术

以溶液法制备的半导体纳米晶作为新型太阳能电池吸收材料，因其制备成本及器件效率等优势成为当前光伏研究领域的热点之一。小尺寸半导体纳米晶所带来的“撞击离化”效应极有希望使得太阳能电池工作效率突破原来理论所设定的Schockley−Queisser极限值（J. Phys. Chem. Lett. 2011, 2, 1282-1288.）。

纳米晶构成的太阳能电池吸收层在异质结型光伏器件中扮演着重要的角色。设计时不但要考虑其对入射光子的吸收性能，还应考虑光生载流子在该层中输运性能。在液相法合成纳米晶过程中，为了保证纳米晶的形貌、组份的可控及后期分散均匀性，往往在合成过程中添加长碳链有机配体（如油酸、油胺等）。该类有机配体为绝缘性，包覆于纳米晶表面在其成膜之后阻碍载流子在薄膜中输运性能。根据报道，载流子（如电子或空穴）在纳米晶薄膜中的传输能力与晶粒之间的距离成反比（Science, 2016, 353 (6302): aac5523）。因此，如何减少纳米晶薄膜中晶粒之间的平均距离，改善载流子在薄膜中输运性能成为提高器件性能的有效途径之一。为了解决该问题，通常利用短链或卤族原子配体等来取代原有的有机长链配体。而具体实施工艺通常分为两种，第一种为固态薄膜配体交换工艺（Adv.Mater., 2016, 28 (2): 299-304），该方法需要多次沉积薄膜后实施交换工艺，主要缺点之一在于每次交换后由于薄膜体积变化导致的薄膜开裂，虽然裂缝在后续沉积过程中可以修补，但仍然无法保证裂缝被完全填充。此外，有机长链配体交换不完全及费时耗料也是该工艺的诟病；第二种为液相交换法，通过预先在液相中将长链配体交换为短链或原子配体并形成稳定的纳米晶，后期旋涂成膜（Nat. Mater., 2016, 16: 258-263）。该方法较前者相比，能够将有机长链配体交换完全并且能够一步旋涂成膜，然而在交换过程中需要使用大量的含有重金属的卤化物作为原子配体提供源，其废弃液将对环境安全带来负面冲击。纵观两种工艺，不难发现纳米晶薄膜中不能出现裂痕缝隙、长链配体被交换完全是缩短薄膜中纳米晶颗粒间距的主要手段。然而很少人注意到由于所制备的纳米晶的几何形貌往往为多面体（Nature Nanotechnology, 2015, 10:1013-1026），通过常用的几种镀膜的工艺手段中（如提拉、旋涂、喷涂等）成膜后，其堆积的形式也往往不是紧密堆积，需要后期施加外力使得薄膜致密化（ACS Appl. Mater. Interfaces 2016, 8, 23947-23952），然而施加外力的形式或最终效果往往不尽如人意。

因此，如何利用简单后期处理工艺促使纳米晶薄膜致密化，同时根据不同的纳米晶本征特性，实现薄膜中纳米晶之间熔接的可控性是实现器件级纳米晶薄膜制备的关键。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、可重复性好且具有优良电学性能的纳米晶薄膜制备方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种用于太阳能电池吸光层的纳米晶薄膜制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将表面包覆有油酸或油胺的无机半导体纳米晶原料，分散到非极性溶剂中制备出一定浓度稳定的纳米晶溶液，然后以一定转速旋涂于指定的基底上，形成纳米晶薄膜基片；