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一種全固態量子點敏化太陽能電池及其製備方法與流程

2023-04-23 15:22:06

本發明屬於量子點敏化太陽能電池技術領域,具體涉及一種全固態量子點敏化太陽能電池,本發明還涉及一種全固態量子點敏化太陽能電池的製備方法。



背景技術:

近年來,隨著人們對能源的需求不斷增加和石化燃料儲量的持續減少,尋找一種新的來源豐富、綠色環保的能源已成為目前科研的重要課題之一。太陽能作為一種取之不盡的天然能源日益受到全世界的關注,尤其是把太陽能直接轉化為電能的太陽能電池研究已成為目前研究的熱點。

量子點敏化太陽能電池(QDSSC)是上世紀90年代出現的第三代太陽能電池,即利用窄禁帶的無機半導體量子點(QD)敏化寬禁帶的基底材料。量子點相對於染料有很大的優勢,一方面,其具有量子限域效應,能通過控制其尺寸和形狀來調節量子點的帶隙寬度,以此來調節吸收光譜的範圍;另一方面,半導體量子點具有激子倍增效應(MEG),一個高能量的光子激發半導體量子點,可以產生多個電子-空穴對。如果將半導體量子點的兩大優點應用到太陽能電池中,量子點敏化太陽能電池效率的理論值可達到44%,遠遠高於晶體矽太陽能電池的理論值32.9%。因此,量子點敏化太陽能電池的發展的潛力是巨大的。

目前,量子點敏化太陽能電池所採用的電解質是多硫(Sn2-/S2-)的液態電解液,然而研究發現適用於染料敏化太陽能電池中(I3-/I-)電解液的鉑不再適合(Sn2-/S2-)電解液,因為S2-在鉑電極表面的化學吸附降低了電極對電解液的催化活性,從而影響了電池的性能。在關於各種量子點敏化的最優效率的電池中,無一例外的都是採用銅箔襯底製備的Cu2S對電極,因為此電極的優點:一是松疏的微結構有巨大的催化活性,二是銅箔作為襯底具有極好的導電性能。然而,此Cu2S對電極導致電池性能不穩定,一是液態電解液對Cu襯底的不斷腐蝕致使粘附性降低、接觸電阻增大,二是脫落的Cu2S與光陽極接觸致使光陽極中毒,三是量子點敏化太陽能電池中液態電解液封裝困難,長時間保存會出現電解液遺漏,導致電池性能嚴重損失。



技術實現要素:

本發明的目的是提供一種全固態量子點敏化太陽能電池,通過該電池結構解決了現有液態量子點敏化太陽能電池在使用過程中性能不穩定、封裝困難的問題。

本發明的另一個目的是提供一種全固態量子點敏化太陽能電池的製備方法。

本發明所採用的技術方案是,一種全固態量子點敏化太陽能電池,包括相對設置的導電玻璃和銅基片,在導電玻璃和銅基片之間填充有固態電解液,導電玻璃上位於固態電解液的一側設置有光陽極;銅基片上位於固態電解液的一側設置有對電極。

本發明的特徵在於,

固態電解液為多硫電解液。

對電極為銅基Cu2S納米片對電極,光陽極為CdS/CdSe量子點敏化的ZnO納米線陣列光陽極。

本發明所採用的另一個技術方案是,一種全固態量子點敏化太陽能電池的製備方法,包括以下步驟:

步驟1,在導電玻璃上製備ZnO納米線陣列;

步驟2,將步驟1中的ZnO納米線陣列進行CdS/CdSe量子點沉積,得到光陽極;

步驟3,在銅基片上製備Cu2S對電極;

步驟4,製備固態電解液;

步驟5,加熱步驟2中的光陽極、步驟3中的對電極以及步驟4中的固態電解液並進行封裝,形成電池。

本發明的特徵還在於,

步驟1具體為:

步驟1.1,配製ZnO種子層的前驅體溶液,在導電玻璃的一側使用ZnO種子層的前驅體溶液,通過旋塗法和熱處理工藝製備出ZnO種子層,其中旋塗速度為3000-4500r/min,熱處理工藝的溫度為300-350℃,ZnO種子層的厚度為50-100nm;

步驟1.2,將步驟1.1中的ZnO種子層放入生長液中,採用溫度為80-90℃的水浴法製備ZnO納米線陣列,其中生長液為摩爾濃度比20:1的NaOH與Zn(NO3)2混合溶液或摩爾濃度比1:1的六次甲基四胺與Zn(NO3)2混合溶液或摩爾濃度比1:1的氨水與Zn(NO3)2混合溶液。

步驟2具體為:

步驟2.1,將步驟1中的ZnO納米線陣列多次交替浸入相同摩爾濃度的Na2S溶液與Cd(NO3)2甲醇溶液,得到CdS量子點敏化的ZnO納米線陣列;

步驟2.2,在甲醇溶液中加入摩爾比為1-1.5:1的KBH4粉末和SeO2粉末,加熱還原得到溶液a,將步驟2.1處理得到的ZnO納米線陣列多次交替浸入Cd(NO3)2甲醇溶液和溶液a,得到CdS/CdSe量子點敏化的ZnO納米線陣列,即光陽極,其中Cd(NO3)2甲醇溶液與SeO2粉末摩爾濃度相同。

步驟3具體為:

步驟3.1,將銅基片經砂紙打磨後置於乙醇溶液中,進行超聲波清洗20-30min;

步驟3.2,將步驟3.1處理過的銅基片一側遮擋並置於70℃的濃鹽酸中5-10min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗並乾燥;

步驟3.3,將步驟3.2處理過的銅基片置於多硫電解液中進行硫化處理10-15min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗並乾燥,得到銅基黑色的Cu2S對電極,並將其置於惰性氣體中保存。

步驟4具體為:

步驟4.1,將適量的右旋糖酐緩慢加入質量為3-5g的KCL水溶液中,在85-100℃攪拌均勻,其中KCL水溶液的濃度為20-30%;

步驟4.2,在步驟4.1得到的溶液中依次加入0.09-0.10g高純硫粉與0.65-0.75g Na2S·9H2O,攪拌均勻後冷卻至室溫,得到水溶膠電解液,即固態電解液。

步驟5具體為:

步驟5.1,將步驟2中的光陽極、步驟3中的對電極與步驟4中的固態電解液均預熱至60-80℃;

步驟5.2,將適量經步驟5.1處理的固態電解液滴加至步驟5.1處理後的光陽極表面,即刻在相同溫度的密閉容器內抽真空5-10min;

步驟5.3,將適量經步驟5.1處理的固態電解液滴加至步驟5.1處理後的對電極表面,即刻在相同溫度的密閉容器內抽真空5-10min;

步驟5.4,取步驟5.2處理的光陽極和步驟5.3處理的對電極,將其分別置於一定厚度的間隔體兩邊正對接觸,並加熱使固態電解液充分融合,封裝成電池。

本發明的有益效果是:本發明通過合成導電性良好的固態電解液,通過加熱固態電解液,使其充分地填充在ZnO納米線陣列光陽極和銅基Cu2S納米片對電極的微結構空隙,不僅克服了液態量子點敏化太陽能電池的性能不穩定以及封裝過程中會出現的電解液遺漏問題,而且製備工藝簡單、成本低廉、大面積製備重複性好,有很好的使用價值。

附圖說明

圖1是本發明一種全固態量子點敏化太陽能電池的結構示意圖。

圖中,1.固態電解液,2.導電玻璃,3.銅基片,4.對電極,5.光陽極。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明一種全固態量子點敏化太陽能電池,如圖1所示,包括相對設置的導電玻璃2和銅基片3,在導電玻璃2和銅基片3之間填充有固態電解液1,導電玻璃2上位於固態電解液1的一側設置有光陽極5;銅基片3上位於固態電解液1的一側設置有對電極4。

固態電解液1為多硫電解液。

本發明一種全固態量子點敏化太陽能電池的製備方法,包括以下步驟:

步驟1,在導電玻璃2上製備ZnO納米線陣列

步驟1.1,配製ZnO種子層的前驅體溶液,在導電玻璃2的一側使用ZnO種子層的前驅體溶液,通過旋塗法和熱處理工藝製備出ZnO種子層,其中旋塗速度為3000-4500r/min,熱處理工藝的溫度為300-350℃,ZnO種子層的厚度為50-100nm;

ZnO種子層的前驅體溶液具體為:將16.46g醋酸鋅加入4.5ml單乙醇胺(MEA)與100ml乙二醇甲醚的混合溶液中,然後在60℃水熱條件下磁力攪拌30min,之後在30℃的恆溫箱中陳化24h;

步驟1.2,將步驟1.1中的ZnO種子層放入生長液中,採用溫度為80-90℃的水浴法製備ZnO納米線陣列,其中生長液為摩爾濃度比20:1的NaOH與Zn(NO3)2混合溶液或摩爾濃度比1:1的六次甲基四胺與Zn(NO3)2混合溶液或摩爾濃度比1:1的氨水與Zn(NO3)2混合溶液;

其中,摩爾濃度比20:1的NaOH與Zn(NO3)2混合溶液的具體配製:磁力攪拌下,首先將0.08mol的NaOH和0.004mol的Zn(NO3)2·6H2O分別溶解於50ml去離子水中,然後將Zn(NO3)2·6H2O溶液在磁力攪拌下緩慢的加入NaOH溶液並攪拌均勻;

摩爾濃度比1:1的六次甲基四胺與Zn(NO3)2混合溶液的具體配製:磁力攪拌下,首先將0.1mol的六次甲基四胺和0.1mol的Zn(NO3)2·6H2O分別溶解於50ml去離子水中,然後將Zn(NO3)2·6H2O溶液在磁力攪拌下緩慢的加入六次甲基四胺溶液並攪拌均勻;

摩爾濃度比1:1的氨水與Zn(NO3)2混合溶液的具體配製:磁力攪拌下,首次分別配製濃度為0.1mol/L的Zn(NO3)2·6H2O溶液和氨水溶液各50ml,然後將Zn(NO3)2﹒6H2O溶液在磁力攪拌下緩慢的加入氨水溶液並攪拌均勻。

步驟2,將步驟1中的ZnO納米線陣列進行CdS/CdSe量子點沉積,得到光陽極5

步驟2.1,將步驟1中的ZnO納米線陣列多次交替浸入相同摩爾濃度的Na2S溶液與Cd(NO3)2甲醇溶液,得到CdS量子點敏化的ZnO納米線陣列;

步驟2.2,在甲醇溶液中加入摩爾比為1-1.5:1的KBH4粉末和SeO2粉末,加熱還原得到溶液a;將步驟2.1處理得到的ZnO納米線陣列多次交替浸入Cd(NO3)2甲醇溶液和溶液a,得到CdS/CdSe量子點敏化的ZnO納米線陣列,即光陽極5,其中Cd(NO3)2甲醇溶液與SeO2粉末摩爾濃度相同。

步驟3,在銅基片3上製備Cu2S對電極4;

步驟3.1,將銅基片3經砂紙打磨後置於乙醇溶液中,進行超聲波清洗20-30min;

步驟3.2,將步驟3.1處理過的銅基片3一側遮擋並置於70℃的濃鹽酸中5-10min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗並乾燥;

步驟3.3,將步驟3.2處理過的銅基片3置於多硫電解液中進行硫化處理10-15min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗並乾燥,得到銅基黑色的Cu2S對電極4,並將其置於惰性氣體中保存,其中多硫電解液為:由濃度分別為2mol/L的Na2S、2mol/L的高純硫粉與0.2mol/L的KCl溶解在體積比為7:3的甲醇與去離子水的混合溶液中製備。

步驟4,製備固態電解液1

步驟4.1,將適量的右旋糖酐緩慢加入質量為3-5g的KCL水溶液中,在85-100℃攪拌均勻,其中KCL水溶液的濃度為20-30%;

步驟4.2,在步驟4.1得到的溶液中依次加入0.09-0.10g高純硫粉與0.65-0.75g Na2S·9H2O,攪拌均勻後冷卻至室溫,得到水溶膠電解液,即固態電解液1。

步驟5,加熱步驟2中的光陽極5、步驟3中的對電極4以及步驟4中的固態電解液1並進行封裝,形成電池

步驟5.1,將步驟2中的光陽極5、步驟3中的對電極4與步驟4中的固態電解液1均預熱至60-80℃;

步驟5.2,將適量經步驟5.1處理的固態電解液1滴加至步驟5.1處理後的光陽極5表面,即刻在相同溫度的密閉容器內抽真空5-10min;

步驟5.3,將適量經步驟5.1處理的固態電解液1滴加至步驟5.1處理後的對電極4表面,即刻在相同溫度的密閉容器內抽真空5-10min;

步驟5.4,取步驟5.2處理的光陽極5和步驟5.3處理的對電極4,將其分別置於一定厚度的間隔體兩邊正對接觸,並加熱使固態電解液1充分融合,封裝成電池。

實施例1

(1)製備光陽極5

配製ZnO種子層的前驅體溶液:將16.46g醋酸鋅加入4.5ml單乙醇胺(MEA)與100ml乙二醇甲醚的混合溶液中,然後在60℃水熱下磁力攪拌30min,之後在30℃的恆溫箱中陳化24h。

配製溶液a:在甲醇溶液中加入摩爾比為1:1的KBH4粉末和SeO2粉末,加熱還原得到溶液a。

在導電玻璃2的一側使用ZnO種子層的前驅體溶液,通過旋塗法和熱處理工藝製備ZnO種子層,其中旋塗速度為3000r/min,熱處理工藝的溫度為300℃,獲得ZnO種子層的厚度為50nm;將ZnO種子層置於摩爾濃度比20:1的NaOH與Zn(NO3)2混合溶液,在80℃的水浴中生長ZnO納米線陣列;將ZnO納米線陣列多次交替浸入相同摩爾濃度的Na2S溶液與Cd(NO3)2甲醇溶液,然後再多次交替浸入與SeO2粉末摩爾濃度相同的Cd(NO3)2甲醇溶液和溶液a中,得到光陽極5。

(2)製備對電極4

配製多硫電解液:由濃度分別為2mol/L的Na2S、2mol/L的高純硫粉與0.2mol/L的KCl溶解在體積比為7:3的甲醇與去離子水的混合溶液中製備。

將銅基片3經砂紙打磨後置於乙醇溶液中,進行超聲波清洗20min,然後將銅基片3一側遮擋並置於70℃的濃鹽酸中5min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗、乾燥;再置於多硫電解液中進行硫化處理10min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗、乾燥,得到銅基黑色的Cu2S對電極4並置於惰性氣體中保存,備用。

(3)製備固態電解液1

將適量的右旋糖酐緩慢加入質量為3g的KCL水溶液中,在85℃攪拌均勻,其中KCL水溶液的濃度為20%;然後向混合溶液中依次加入0.09g高純硫粉與0.65g的Na2S·9H2O,攪拌均勻後冷卻至室溫,得到水溶膠電解液,即固態電解液1。

(4)裝配電池

將光陽極5、對電極4與固態電解液1均預熱至60℃;將適量預熱的固態電解液1滴加至預熱的光陽極5表面,即刻在60℃的密閉容器內抽真空5min;將預熱的固態電解液1滴加至預熱的對電極4表面,即刻在60℃的密閉容器內抽真空5min;然後將光陽極5和對電極4分別置於一定厚度的間隔體兩邊正對接觸,並加熱使固態電解液1充分融合,封裝成電池。

實施例2

(1)製備光陽極5

配製ZnO種子層的前驅體溶液:將16.46g醋酸鋅加入4.5ml單乙醇胺(MEA)與100ml乙二醇甲醚的混合溶液中,然後在60℃水熱下磁力攪拌30min,之後在30℃的恆溫箱中陳化24h。

配製溶液a:在甲醇溶液中加入摩爾比為1.2:1的KBH4粉末和SeO2粉末,加熱還原得到溶液a。

在導電玻璃2的一側使用ZnO種子層的前驅體溶液通過旋塗法和熱處理工藝製備ZnO種子層,其中旋塗速度為3800r/min,熱處理工藝的溫度為320℃,獲得ZnO種子層的厚度為80nm;將ZnO種子層置於摩爾濃度比1:1的六次甲基四胺與Zn(NO3)2混合溶液,在85℃的水浴中生長ZnO納米線陣列;將ZnO納米線陣列多次交替浸入相同摩爾濃度的Na2S溶液與Cd(NO3)2甲醇溶液,然後再多次交替浸入與SeO2粉末摩爾濃度相同的Cd(NO3)2甲醇溶液和溶液a中,得到光陽極5。

(2)製備對電極4

配製多硫電解液:由濃度分別為2mol/L的Na2S、2mol/L的高純硫粉與0.2mol/L的KCl溶解在體積比為7:3的甲醇與去離子水的混合溶液中製備。

將銅基片3經砂紙打磨後置於乙醇溶液中,進行超聲波清洗25min,然後將銅基片3一側遮擋並置於70℃的濃鹽酸中8min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗、乾燥;再置於多硫電解液中進行硫化處理12min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗、乾燥,得到銅基黑色的Cu2S對電極4並置於惰性氣體中進行保存,備用。

(3)製備固態電解液1

將適量的右旋糖酐緩慢加入質量為4g的KCL水溶液中,在90℃攪拌均勻,其中KCL水溶液的濃度為25%;然後向混合溶液中依次加入0.096g高純硫粉與0.70g的Na2S·9H2O,攪拌均勻後冷卻至室溫,得到水溶膠電解液,即固態電解液1。

(4)裝配電池

將光陽極5、對電極4與固態電解液1均預熱至70℃;將適量的預熱的固態電解液1滴加至預熱的光陽極5表面,即刻在70℃的密閉容器內抽真空8min;將適量的預熱的固態電解液1滴加至預熱的對電極4表面,即刻在70℃的密閉容器內進行抽真空8min;然後將光陽極5和對電極4分別置於一定厚度的間隔體兩邊正對接觸,並加熱使固態電解液1充分融合,封裝成電池。

實施例3

(1)製備光陽極5

配製ZnO種子層的前驅體溶液:將16.46g醋酸鋅加入4.5ml單乙醇胺(MEA)與100ml乙二醇甲醚的混合溶液中,然後在60℃水熱下磁力攪拌30min,之後在30℃的恆溫箱中陳化24h。

配製溶液a:在甲醇溶液中加入摩爾比為1.5:1的KBH4粉末和SeO2粉末,加熱還原得到溶液a。

在導電玻璃2的一側使用ZnO種子層的前驅體溶液通過旋塗法和熱處理工藝製備ZnO種子層,其中旋塗速度為4500r/min,熱處理工藝的溫度為350℃,獲得ZnO種子層的厚度為100nm;將ZnO種子層置於摩爾濃度比1:1的氨水與Zn(NO3)2混合溶液,在90℃的水浴中生長ZnO納米線陣列;將ZnO納米線陣列多次交替浸入相同摩爾濃度的Na2S溶液與Cd(NO3)2甲醇溶液,然後再多次交替浸入與SeO2粉末摩爾濃度相同的Cd(NO3)2甲醇溶液和溶液a中,得到光陽極5。

(2)製備對電極4

配製多硫電解液:由濃度分別為2mol/L的Na2S、2mol/L的高純硫粉與0.2mol/L的KCl溶解在體積比為7:3的甲醇與去離子水的混合溶液中製備。

將銅基片3經砂紙打磨後置於乙醇溶液中,進行超聲波清洗30min,然後將銅基片3一側遮擋並置於70℃的濃鹽酸中10min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗、乾燥;再置於多硫電解液中進行硫化處理15min,取出後使用去離子水和甲醇衝洗、乾燥,得到銅基黑色的Cu2S對電極4並置於惰性氣體中進行保存備用。

(3)製備固態電解液1

將適量的右旋糖酐緩慢加入質量為5g的KCL水溶液中,在100℃攪拌均勻,其中KCL水溶液的濃度為30%;然後向混合溶液中依次加入0.10g高純硫粉與0.75g的Na2S·9H2O,攪拌均勻後冷卻至室溫,得到水溶膠電解液,即固態電解液1。

(4)裝配電池

將光陽極5、對電極4與固態電解液1均預熱至80℃;取適量的預熱的固態電解液1滴加至預熱的光陽極5表面,即刻在80℃的密閉容器內抽真空10min;取適量的預熱的固態電解液1滴加至預熱的對電極4表面,即刻在80℃的密閉容器內抽真空10min;然後將光陽極5和對電極4分別置於一定厚度的間隔體兩邊正對接觸,並加熱使固態電解液1充分融合,封裝成電池。

本發明通過合成導電性良好的固態電解液1,通過加熱固態電解液1,使其充分地填充在ZnO納米線陣列光陽極和銅基Cu2S納米片對電極的微結構空隙,不僅克服了液態量子點敏化太陽能電池的性能不穩定以及封裝過程中出現的電解液遺漏問題,而且製備工藝簡單、成本低廉、大面積製備重複性好,有很好的使用價值。

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