一种量子点叠层太阳能电池及其制备方法

技术领域

本发明涉及光伏器件技术领域，特别是涉及一种量子点叠层太阳能电池及其制备方法。

背景技术

光伏器件为吸收太阳光，并将吸收的太阳光能转换为电能的半导体器件。太阳光光谱为混合光谱，每一种特定的半导体材料只能吸收大于某一特定波长的光。在单节电池中，未被吸收的太阳光会以透射光或热能的形式散失掉而无法被吸收利用；而高能量的光被吸收后也会由于带隙原因产生热损失。由于低能光透射损失和高能光热损失的存在，单节电池的效率不会超过33.4％，即肖脱基极限。

叠层电池通过结合两个不同带隙的单节电池，使得大带隙的电池作为前电池吸收高能光，低带隙的电池作为后电池吸收低能光，从而降低能量损失，提高光能利用率。

量子点是在把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构，一般为球形或类球形，直径常在2－20nm之间，是一种重要的低维半导体材料，常见的量子点由IV、II－VI，IV－VI或III－V元素组成。量子点具有激发光谱宽且连续分布、发射光谱窄而对称、颜色可调、光化学稳定性高、荧光寿命长等特性，量子点在包括叠层电池在内的各种光电子器件上得到了广泛的应用。

但目前，虽然已有部分关于量子点叠层太阳能电池的报道，但现有的量子点叠层太阳能电池的光电转化效率依旧较低。因此，亟需发明一种光电转化效率高的量子点叠层太阳能电池。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种量子点叠层太阳能电池，所述电池包括前电池、透明导电中间层、后电池和对电极；

所述前电池包括导电衬底、氧化物半导体薄膜和半导体量子点薄膜；

所述透明导电中间层为ITO薄膜；

所述后电池包括氧化物半导体薄膜和半导体量子点薄膜。

进一步的，所述氧化物半导体薄膜为ZnO纳米颗粒薄膜；所述半导体量子点薄膜为量子点－卤化铅复合薄膜。

进一步的，所述量子点－卤化铅复合薄膜为PbS量子点－卤化铅复合薄膜。

进一步的，所述对电极为金属电极；所述导电衬底为导电玻璃。

本发明还提供一种量子点叠层太阳能电池的制备方法，包括：

步骤S1、以氧化物半导体材料、量子点和卤化铅的顺序，在导电衬底的上表面分别涂覆氧化物半导体材料、量子点和卤化铅，获得前电池；

步骤S2、在步骤S1获得的所述前电池上涂覆透明导电中间层材料，获得覆盖有透明导电中间层的前电池；

步骤S3、以氧化物半导体材料、量子点和卤化铅的顺序，在步骤S2获得的所述透明导电中间层的表面上分别涂覆氧化物半导体材料、量子点和卤化铅涂覆氧化物半导体材料，获得前电池－透明导电中间层－后电池复合物；

步骤S4、在所述前电池－透明导电中间层－后电池复合物的后电池表面沉积金属电极，获得所述量子点叠层太阳能电池。

进一步的，所述氧化物半导体材料为ZnO纳米颗粒；所述量子点为PbS量子点；所述卤化铅为碘化铅；所述透明导电中间层材料为ITO。

进一步的，在所述步骤S1、步骤S2和步骤S3中，所述涂覆为旋涂，所述旋涂的转速为2000rpm/min，所述旋涂的时间为120s。

进一步的，在所述步骤S2中，涂覆所述透明导电中间层材料的条件为：1.5mTorr气压和Ar气环境。

进一步的，在所述步骤S4中，所述金属电极沉积的速度为0.1nm/s。

进一步的，在所述步骤S4中，所述金属电极为厚度100nm的金电极。

与现有技术相比，其有益效果在于：

本发明提供一种量子点叠层太阳能电池及其制备方法，所述量子点叠层太阳能电池具体包括前电池、透明导电中间层、后电池和对电极；所述前电池由导电衬底、氧化物半导体薄膜和半导体量子点薄膜组成；所述透明导电中间层为ITO薄膜；所述后电池由氧化物半导体薄膜和半导体量子点薄膜组成；所述对电极为金属电极。本发明制备的量子点叠层太阳能电池利用高透明ITO中间层，使得太阳能电池的光能利用率大幅提升，有效提高了电池的光电转化效率。

附图说明

图1是本发明实施例1－5制备的PbS量子点叠层太阳能电池电池效率测定结果；

图2是本发明实施例3和对比例1制备的PbS量子点叠层太阳能电池电池效率测定结果；

图3是本发明PbS量子点叠层太阳能电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

PbS量子点是一种半导体纳米晶，一般直径在40nm以下。由于PbS材料自身的波尔激子半径比较大，较容易产生量子局限效应，产生能级分裂，产生带隙。并且，通过控制PbS纳米晶的尺寸可以调控其带隙的大小：缩小纳米晶直径，其带隙会变大；增大纳米晶直径，其带隙会缩小。量子点的这一特点为叠层电池在选择材料之一步骤带来了方便。本实施例公开一种PbS量子点叠层太阳能电池的制备方法，包括：

步骤S1、制备前电池：

S1－1：将导线衬底ITO玻璃分别依次经洗涤剂、水、乙醇和丙酮超声清洗，分别清洗30min；

S1－2：使用旋涂机在ITO玻璃上旋涂ZnO纳米颗粒，旋涂速度为2000rpm/min，旋涂时长为120s；

S1－3：将带隙为1.5eV的PbS量子点旋涂在ZnO膜上获得ZnO膜，旋涂转速为2000rpm/min，旋涂时长为120s；旋涂后随即将电池片半成品浸泡于PbI2的DMF溶液中，溶液浓度为4.6mg/ml；浸泡后使用乙腈清洗，后晾干，制成前电池。

步骤S2、在前电池上制备透明导电中间层：

在Ar气环境下，在1.5mTorr气压下，在步骤1获得的前电池上磁控溅射一层ITO薄膜，厚度在20nm，完成透明导电中间层的制备。

步骤3、制备前电池－透明导电中间层－后电池复合物：

S3－1：使用旋涂机，在步骤S2获得的透明导电中间层上旋涂ZnO纳米颗粒获得ZnO膜，旋涂速度为2000rpm/min，旋涂时长为120s；

S3－2：将带隙为1.2eV的PbS量子点旋涂在ZnO膜上，旋涂转速为2000rpm/min，旋涂时长为120s；旋涂后随即将电池片半成品浸泡于PbI2的DMF溶液中，溶液浓度为4.6mg/ml；浸泡后使用乙腈清洗，后晾干，获得前电池－透明导电中间层－后电池复合物。

步骤S4、在前电池－透明导电中间层－后电池复合物上制备对电极：

以0.1nm/s的速度，在前电池－透明导电中间层－后电池复合物的后电池表面蒸镀一层100nm厚度的金电极，获得PbS量子点叠层太阳能电池。

实施例2

本实施例公开一种PbS量子点叠层太阳能电池的制备方法，制备方法同实施例1，唯一不同之处在于步骤S2中，前电池上磁控溅射一层ITO薄膜，厚度在80nm。

实施例3

本实施例公开一种PbS量子点叠层太阳能电池的制备方法，制备方法同实施例1，唯一不同之处在于步骤S2中，前电池上磁控溅射一层ITO薄膜，厚度在100nm。

实施例4

本实施例公开一种PbS量子点叠层太阳能电池的制备方法，制备方法同实施例1，唯一不同之处在于步骤S2中，前电池上磁控溅射一层ITO薄膜，厚度在140nm。

实施例5

本实施例公开一种PbS量子点叠层太阳能电池的制备方法，制备方法同实施例1，唯一不同之处在于步骤S2中，前电池上磁控溅射一层ITO薄膜，厚度在200nm。

对比例1

本实施例公开一种PbS量子点叠层太阳能电池的制备方法，制备方法同实施例3，唯一不同之处在于步骤S3－2中，将带隙为1.5eV的PbS量子点旋涂在ZnO膜上。

试验例1

对实施例1－5和对比例1制备的PbS量子点叠层太阳能电池电池效率进行测定。

图1为不同厚度ITO中间层的电池IV曲线，其中，IV曲线1为厚度为20nm的ITO中间层对应的电池效率，电池效率为4.2％；IV曲线2为厚度为80nm的ITO中间层对应的电池效率，电池效率为5.2％；IV曲线3为厚度为100nm的ITO中间层对应的电池效率，电池效率为6.2％；IV曲线4为厚度为1400nm的ITO中间层对应的电池效率，电池效率为4.3％；IV曲线5为厚度为200nm的ITO中间层对应的电池效率，电池效率为3.4％。由图1曲线可知，最优ITO厚度为100nm，此厚度生产出的电池效率最高。

图2为实施例3和对比例1对电池效率测定结果，具体为：图2为单一带隙与大小带隙配合的电池的IV曲线对比，其中，曲线1为对比例1同带隙电池(前后电池带隙均为1.5eV)IV曲线，对应效率为5.1％；曲线2为实施例3对大小带隙配合(前电池带隙1.5eV，后电池带隙为1.2eV)的电池的IV曲线，对应效率为6.2％。

图3为PbS量子点叠层太阳能电池的结构示意图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。