碳納米材料作為陰極緩衝層在硫化鉛量子點太陽能電池中的應用的製作方法與工藝
2023-04-24 21:43:13 1
本發明屬於材料領域，涉及一種碳納米材料作為陰極緩衝層在硫化鉛量子點太陽能電池中的應用。
背景技術：
隨著人類面臨的環境與能源問題的持續惡化，加強環境保護和開發清潔能源是人類高度關注的焦點。因此，近年來人們對太陽能開發和利用的研究進展極為迅速。作為一種重要的光電能量轉換器件，太陽能電池的研究一直受到人們的熱切關注。太陽能電池可以分為三大類：第一類是基於半導體p-n結中載流子輸運過程的無機固態太陽能電池，包括晶體Si太陽能電池和Si基薄膜太陽能電池等；第二類是基於有機分子材料中光電子化學過程的光電化學太陽能電池，包括染料敏化太陽能電池和聚合物太陽能電池；第三類是基於半導體量子點的太陽能電池，包括硫化鉛，硒化鉛和硫化鎘等量子點太陽能電池。但目前太陽能電池存在能耗高、光電轉換效率低等缺點。儘管人們已採用各種方法使太陽能電池的轉換效率得到了一定改善，但尚不能使其大幅度提高。找到一種更有效的途徑或對策，使太陽能電池的實際能量轉換效率接近其理論預測值，成為材料物理、光伏器件與能源科學的一項重大課題。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種碳納米材料作為陰極緩衝層在硫化鉛量子點太陽能電池中的應用。本發明要求保護一種以碳納米材料作為陰極緩衝層的太陽能電池。上述太陽能電池具體可為硫化鉛量子點太陽能電池；所述碳納米材料選自碳納米管、石墨烯和石墨炔的至少一種；其中，所述石墨烯的粒徑為1-10nm，具體可為4nm；所述碳納米管具體選自單壁碳納米管和多壁碳納米管中的至少一種；所述碳納米管的長徑比為1-100：1。更具體的，所述太陽能電池由下至上依次包括：基底、透明導電電極層、氧化鋅量子點層、PbS-TBAI層、PbS-EDT層、所述陰極緩衝層和金電極層。所述基底具體可為剛性基底或柔性基底；其中，所述剛性基底具體為玻璃；所述柔性基底具體為聚酯薄膜；所述聚酯薄膜的相對分子量優選為10000-100000g/mol，更優選20000-80000g/mol，例如70000g/mol。所述透明導電電極層的厚度為50-400nm，優選100-200nm，例如150nm；所述氧化鋅量子點層的厚度為20-100nm，優選30-60nm，例如50nm；所述PbS-TBAI層的厚度為200-300nm，優選200-250nm，例如230nm；所述PbS-EDT層的厚度為40-60nm，優選40-50nm，例如50nm；所述陰極緩衝層的厚度為0.2nm-2nm，優選0.5nm-2nm；所述金電極層的厚度為80-200nm，優選100-1500nm，例如120nm。本發明還提供了一種製備所述太陽能電池的方法，該方法包括如下步驟：1)在所述基底上製備一層透明導電電極層；2)在所述透明導電電極上依次製備所述氧化鋅量子點層、PbS-TBAI層、PbS-EDT層和陰極緩衝層；3)在所述陰極緩衝層上製備金電極，得到所述太陽能電池。上述方法的步驟1)中，製備方法可為各種常規方法，如具體可為磁控濺射法；所述磁控濺射法中，濺射的真空度具體可為10-4-10-5Pa，更具體可為1×10-4Pa；所述步驟2)中，製備方法可為各種常規方法，如具體可為溶液旋塗法或噴墨列印法；所述溶液旋塗法中，所用溶液的濃度具體可為20-100mg/ml，更具體為50mg/ml；旋塗的速度可為500-10000rpm，具體可為2500rpm；所述噴墨列印法中，所用墨水的濃度具體可為1-100mg/ml，更具體可為20mg/ml；所述步驟3)中，製備方法可為各種常規方法，如具體可為真空蒸鍍法。所述真空蒸鍍法中，真空度為10-4-10-5Pa，具體為1×10-4Pa；本發明公開了一種基於碳納米材料作為陰極緩衝層在硫化鉛量子點太陽能電池中的應用。該器件結構包括基底，透明導電電極，氧化鋅，硫化鉛(包括PbS-TBAI和PbS-EDT兩層)，碳納米材料和金電極。碳納米材料在這種結構中作為一種陰極緩衝層，在這裡起到了一個電子阻擋和空穴傳輸的作用，同時它能有效減少界面處的缺陷態密度和載流子的複合。這些都能夠有效地提高器件性能並且不會降低硫化鉛量子點太陽能電池的穩定性，具有重要的應用價值。附圖說明圖1為為碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的器件結構示意圖。圖2為碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的截面掃描電鏡圖。圖3為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的I-V曲線圖對比圖。圖4為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的外量子效率曲線對比圖。圖5a為所用氧化鋅量子點的透射電鏡圖。圖5b為所用氧化鋅量子點的吸收光譜圖。圖5c為所用氧化鋅量子點的X射線衍射圖。圖5d為所用硫化鉛量子點的透射電鏡圖。圖5e為所用硫化鉛量子點的吸收光譜圖。圖5f為所用硫化鉛量子點的X射線衍射圖。圖5g為所用碳納米材料的透射電鏡圖。圖5h為所用碳納米材料的吸收光譜圖。圖5i為所用碳納米材料的光電子能譜圖。圖6a為無碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的原子力顯微鏡圖。圖6b為有碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的原子力顯微鏡圖圖6c為無碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的接觸角測試圖。圖6d為有碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的接觸角測試圖。圖6e為不同薄膜的吸收光譜圖。圖6f為不同薄膜的紫外光電子能譜圖。圖7為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的阻抗譜曲線圖對比圖。圖8為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的穩定性對比圖。具體實施方式下面結合具體實施例對本發明作進一步闡述，但本發明並不限於以下實施例。所述方法如無特別說明均為常規方法。所述原材料如無特別說明均能從公開商業途徑獲得。實施例11)將基底7做如下預處理：將所述玻璃基底7先後用去離子水，丙酮和異丙醇清洗，再烘乾。2)如圖1所示，在基底7上磁控濺射150nm厚的透明導電電極6。3)在步驟2)所得的帶有透明導電電極的基底製備氧化鋅量子點層5，硫化鉛(包括PbS-TBAI層4和PbS-EDT層3)，碳納米材料層2三種活性層；具體步驟包括：將粒徑為5nm的氧化鋅量子點溶於氯苯中獲得50mg/ml濃度的溶液，1000rpm旋塗60s後將基片退火100℃10min，獲得厚度為50nm的氧化鋅量子點層5；後在其上將粒徑為5nm的硫化鉛量子點溶於辛烷中獲得50mg/ml濃度的溶液，2500rpm旋塗60s後分別在10mg/ml的TBAI甲醇溶液和甲醇溶液中放置1min，旋塗10層，獲得厚度為230nm的PbS-TBAI層4；後在其上將粒徑為5nm的硫化鉛量子點溶於辛烷中獲得50mg/ml濃度的溶液，2500rpm旋塗60s後分別在10mg/ml的EDT乙腈溶液和乙腈溶液中放置1min，旋塗2層，獲得厚度為50nm的PbS-EDT層3；再將粒徑為4nm的石墨烯粉末溶於氯苯中獲得1mg/ml濃度的溶液不斷加熱超聲一周，在PbS-EDT層3上1000rpm旋塗60s，得到由石墨烯粉末構成的陰極緩衝層2，厚度為2nm；4)在步驟3)所得活性層上真空蒸鍍金極層1，厚度為120nm，得到本發明提供的硫化鉛量子點太陽能電池；該太陽能電池由下至上依次包括：基底、透明導電電極層、氧化鋅量子點層、PbS-TBAI層、PbS-EDT層、所述陰極緩衝層和金電極層。其中，基底為玻璃基底；透明導電電極層的厚度為150nm；氧化鋅量子點層的厚度為50nm；PbS-TBAI層的厚度為230nm；PbS-EDT層的厚度為50nm；由粒徑為4nm的石墨烯粉末構成的陰極緩衝層的厚度為2nm；金電極層的厚度為120nm。圖2所示為該硫化鉛量子點太陽能電池的截面掃描電鏡圖。圖3為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的I-V曲線圖對比圖。由圖可知，碳納米材料作為一種陰極緩衝層應用於硫化鉛量子點太陽能電池後，器件的性能得到了明顯提高。圖4為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的外量子效率曲線對比圖。由圖可知，碳納米材料作為一種陰極緩衝層應用於硫化鉛量子點太陽能電池後，器件的外量子效率得到了明顯提高。圖5a為所用氧化鋅量子點的透射電鏡圖。圖5b為所用氧化鋅量子點的吸收光譜圖。圖5c為所用氧化鋅量子點的X射線衍射圖。圖5d為所用硫化鉛量子點的透射電鏡圖。圖5e為所用硫化鉛量子點的吸收光譜圖。圖5f為所用硫化鉛量子點的X射線衍射圖。圖5g為所用碳納米材料的透射電鏡圖。圖5h為所用碳納米材料的吸收光譜圖。圖5i為所用碳納米材料的光電子能譜圖。圖6a為無碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的原子力顯微鏡圖。圖6b為有碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的原子力顯微鏡圖圖6c為無碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的接觸角測試圖。圖6d為有碳納米材料的硫化鉛薄膜表面的接觸角測試圖。圖6e為不同薄膜的吸收光譜圖。由圖可知，碳納米材料作為一種空穴傳輸應用於硫化鉛量子點太陽能電池後，由於其特別薄吸收特別弱，它並沒有增加活性層的吸收，因此其性能的增加不是因為光吸收的增加。圖6f為不同薄膜的紫外光電子能譜圖。由圖可知，碳納米材料作為一種空穴傳輸應用於硫化鉛量子點太陽能電池後，其表面能級發生變化，能有效減少界面處的缺陷態密度。圖7為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的阻抗譜曲線圖對比圖。由圖可知，碳納米材料作為一種陰極緩衝層應用於硫化鉛量子點太陽能電池後，器件裡激子的壽命得到了明顯提高，能有效減少載流子的複合。圖8為有無碳納米材料作為陰極緩衝層的硫化鉛量子點太陽能電池的穩定性對比圖。由圖可知，碳納米材料作為一種陰極緩衝層應用於硫化鉛量子點太陽能電池後，沒有降低器件的穩定性。