專利名稱：基于有機過程的無機薄膜太陽電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于有機過程的無機薄膜太陽電池的制備方法，特別是采用無機納米晶體“墨水”通過旋涂的方法得到無機薄膜作為太陽電池的有源層。屬于新能源領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著全球能源的日趨緊張，太陽能以其無污染、可再生的優(yōu)勢受到世界各國的廣泛重視。最近，膠體科學(xué)的快速發(fā)展為開發(fā)下一代低成本、高效率的太陽電池提供了基礎(chǔ)。通過簡單、安全的液相合成法可以得到單分散的、鈍化的、并且光電性能優(yōu)異的半導(dǎo)體納米晶體，這些開啟了制作新型太陽電池的工藝路線。將半導(dǎo)體納米晶體分散在有機溶劑中制 成納米晶體“墨水”，采用旋涂的方法在基底上制作成膜，作為太陽電池的有源層。通過有機合成的方法合成無機納米晶體過程簡單、所需設(shè)備簡易，通過旋涂法得到無機薄膜不需要真空環(huán)境，進而降低了成本。由于納米晶體的量子限制效應(yīng)，可產(chǎn)生多激子激發(fā)(MEG)，進而增加光電流；而且，納米晶體的禁帶寬度可以隨著納米晶體粒徑的大小而改變，可以通過合成不同粒徑的納米晶體得到不同禁帶寬度的有源層，進而增加太陽電池的光譜響應(yīng)范圍。但是，當(dāng)前主流的太陽電池的高成本嚴(yán)重限制了太陽電池的普及利用。開發(fā)新方法或新材料以獲得低成本、高效率的太陽電池，成為當(dāng)今太陽電池研究的重要方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于有機過程制作低成本太陽電池的方法。為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案步驟I :采用有機金屬熱分解法制備CdTe納米晶體將氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的混合物加熱至澄清透明形成鎘的前驅(qū)體，以三辛基膦及碲粉的混合物為碲的前驅(qū)體；將碲前驅(qū)體迅速注入鎘前驅(qū)體中，反應(yīng)得到CdTe納米晶體。步驟2 :采用有機金屬熱分解法制備CdS納米晶體將氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的混合物加熱至澄清透明形成鎘的前驅(qū)體，以三辛基膦及硫粉的混合物為硫的前驅(qū)體；將硫前驅(qū)體迅速注入鎘前驅(qū)體中，反應(yīng)得到CdS納米晶體。步驟3 :制備ZnO納米晶體將氫氧化鉀的甲醇溶液逐滴加入至60°C的乙酸鋅的甲醇溶液中，在不斷攪拌下維持60°C反應(yīng)生成ZnO納米晶體。步驟4 :將步驟1、2、3中得到的納米晶體分別制成CdTe、CdS、ZnO納米晶體“墨水”。步驟5 :將步驟4中得到的CdTe、CdS、ZnO納米晶體“墨水”依次旋涂到涂有PEDOT: PSS 的 ITO 玻璃上。步驟6:蒸鍍鋁電極。在所述的步驟I中，氧化鎘與碲粉的摩爾數(shù)比值為2 1，氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的摩爾數(shù)比值為I : 6 5，三辛基膦與碲粉摩爾數(shù)比值為5.6 I5CdTe納米晶體為直徑IOnm的量子點。在所述的步驟2中，氧化鎘與硫粉的摩爾數(shù)比值為2 1，氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的摩爾數(shù)比值為I : 6 5，三辛基膦與硫粉摩爾數(shù)比值為5.6 I5CdS納米晶體為直徑為IOnm的量子點。在所述的步驟3中，氫氧化鉀的甲醇溶液濃度為O. 43mmol/ml,乙酸鋅的甲醇溶液濃度為 O. 108mmo1 /ml ；在所述的步驟4中，CdTe納米晶體“墨水”的濃度為100mg/ml，CdS納米晶體“墨水”的濃度為70mg/ml，ZnO納米晶體“墨水”的濃度為40mg/ml。在所述的步驟5中，CdTe薄膜厚度為150nm，CdS薄膜厚度為80nm，ZnO薄膜厚度為 40nm。在所述的步驟6中，鋁電極厚度為100_120nm之間。 本發(fā)明的優(yōu)點在于1.不同尺寸的納米晶體具有不同的帶隙，因此可以通過合成的方法得到的無機納米晶體，可以通過改變反應(yīng)溫度、時間及配體，得到不同尺寸、不同帶隙的納米晶體，以滿足在AMl. 5光譜下太陽電池有源層最優(yōu)的帶隙寬度(1.0-1.6eV)的要求。2.將納米晶體制成納米晶體“墨水“通過旋涂法得到無機薄膜，不需要復(fù)雜的設(shè)備、不需要高真空的條件，降低了太陽電池的制作成本。3.旋涂法制作無機薄膜的過程可以被卷對卷印刷技術(shù)替代，從而實現(xiàn)太陽電池的批量生產(chǎn)，進一步降低太陽電池的制作成本。因此，基于其制作工藝的簡單化，基于有機過程的無機薄膜太陽電池制備方法可以作為下一代低成本太陽電池的主要制備方法。


圖I是本發(fā)明所述的基于有機過程的無機薄膜太陽電池的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述的基于有機過程的無機薄膜太陽電池在AMl. 5光照下的I_V曲線。
具體實施例方式本發(fā)明提供一種基于有機過程的無機薄膜太陽電池的制備方法，包括如下步驟I.制備CdTe納米晶體，方法如下(I)稱量氧化鎘210mg、三辛基氧化膦3g放入到25ml四口燒瓶中，然后加入3ml油酸；在氮氣氣氛在加熱至100°C并保持30min，之后慢慢加熱至混合物變?yōu)槌吻逋该?，形成鎘前驅(qū)體。(2)稱量IOOmg碲粉與2ml三辛基膦混合，超聲至碲粉完全溶解，形成碲前驅(qū)體。調(diào)節(jié)鎘前驅(qū)體溫度至280°C，將碲前驅(qū)體迅速注入，在260°C下反應(yīng)5min后停止加熱，待冷卻中50°C左右，加入IOml甲苯，反應(yīng)停止。加入過量甲醇經(jīng)離心洗滌CdS納米晶體，重復(fù)三次洗漆過程。2.制備CdS納米晶體，方法如下(I)稱量氧化鎘210mg、三辛基氧化膦3g放入到25ml四口燒瓶中，然后加入3ml油酸；在氮氣氣氛在加熱至100°C并保持30min，之后慢慢加熱至混合物變?yōu)槌吻逋该鳎纬涉k前驅(qū)體。
(2)稱量26mg硫粉與2ml三辛基膦混合，超聲至硫粉完全溶解，形成硫前驅(qū)體。調(diào)節(jié)鎘前驅(qū)體溫度至280°C，將硫前驅(qū)體迅速注入，在260°C下反應(yīng)15min后停止加熱，待冷卻中50°C左右，加入IOml甲苯，反應(yīng)停止。加入過量甲醇經(jīng)離心洗滌CdS納米晶體，重復(fù)三次洗漆過程。3.把2. 95g乙酸鋅溶解在60°C的125ml甲醇中，在隨后的10分鐘內(nèi)，在不斷攪拌的條件下加入KOH的甲醇溶液(I. 57gK0H,甲醇65ml)。Zn (OH) 2析出，溶液變渾濁，5分鐘后，溶液變?yōu)榘胪该?。I. 5小時后，納米粒子開始析出，溶液變渾濁，2小時15分鐘后反應(yīng)結(jié)束，獲得ZnO懸濁液。加入過量甲醇經(jīng)離心洗滌ZnO納米晶體，重復(fù)三次洗滌過程。最后將ZnO納米晶體分散到正丁醇中，得到大約40mg/ml的ZnO納米晶體“墨水”。4.將洗滌后的CdTe納米晶體及CdS納米晶體分散到20ml吡啶中，在110°C下回流12小時，完成配體置換過程。然后加入過量的正己烷經(jīng)離心沉淀，再分別加入Iml吡啶，得到約100mg/ml的CdTe納米晶體“墨水”及70mg/ml的CdS納米晶體“墨水”。5.將上述CdTe、CdS、ZnO納米晶體“墨水”依次旋涂到涂有PED0T:PSS的ITO玻 璃上，形成 IT0/PED0T:PSS/150nmCdTe/80nmCdS/40nmZn0 的薄膜結(jié)構(gòu)·6.采用真空熱蒸發(fā)的方法，蒸鍍120nm鋁電極，太陽電池制作完成，其結(jié)構(gòu)為ITO/PED0T:PSS/150nmCdTe/80nmCdS/40nmZn0/120nmAl，如附圖 I 所示。實施例以下為采用本發(fā)明提供的方法制作基于有機過程的無機薄膜太陽電池的實例。首先合成碲化鎘、硫化鎘納米晶體，合成后用甲苯洗滌三次；加入分別加入IOml吡啶，在110°C下回流12小時進行配體置換，然后用正己烷沉淀后分散在Iml吡啶中，得到100mg/ml的締化鋪納米晶體“墨水”及70mg/ml的硫化鋪納米晶體“墨水”待用；之后合成氧化鋅納米晶體，用甲醇洗滌三次后，分散在正丁醇中，得到40mg/ml的氧化鋅納米晶體“墨水”待用。然后，采用旋涂法，依次旋涂碲化鎘納米晶體“墨水”、硫化鎘納米晶體“墨水”、氧化鋒納米晶體“墨水”分別得到厚度為150nm的締化鋪納米晶體薄I吳、80nm的硫化鋪納米晶體薄膜、40nm的氧化鋅納米晶體薄膜。最后，采用真空熱蒸發(fā)的方法蒸鍍厚度為120nm的鋁電極，之后在AMl. 5光照下對其進行I-V特性測試，其I-V曲線如圖2所示。
權(quán)利要求
1.一種基于有機過程的無機薄膜太陽電池的制備方法，它包括以下步驟 1):采用有機金屬熱分解法制備CdTe納米晶體將氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的混合物加熱至澄清透明形成鎘的前驅(qū)體，以三辛基膦及碲粉的混合物為碲的前驅(qū)體；將碲前驅(qū)體迅速注入鎘前驅(qū)體中，反應(yīng)得到CdTe納米晶體。
2):采用有機金屬熱分解法制備CdS納米晶體將氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的混合物加熱至澄清透明形成鎘的前驅(qū)體，以三辛基膦及硫粉的混合物為硫的前驅(qū)體；將硫前驅(qū)體迅速注入鎘前驅(qū)體中，反應(yīng)得到CdS納米晶體。
3):制備ZnO納米顆粒將氫氧化鉀的甲醇溶液逐滴加入至60°C的乙酸鋅的甲醇溶液中，在不斷攪拌下維持60°C反應(yīng)生成氧化鋅納米顆粒。
4):將步驟I)中得到的CdTe納米晶體及CdS納米晶體洗滌后，分別加入一定量吡啶在110°C下回流進行配體置換；然后再次洗滌后分散在吡啶中，得到CdTeXdS納米晶體“墨水”；將步驟2)中得到的ZnO納米顆粒用甲醇洗滌后分散在正丁醇中，得到ZnO納米晶體“墨水”。
5):采用旋涂法將步驟3)中得到的CdTe、CdS納米晶體“墨水”旋涂在涂有PED0T:PSS的ITO玻璃上，依次得到CdTe、CdS薄膜；然后旋涂ZnO納米晶體“墨水”得到ZnO薄膜。
6):采用熱蒸發(fā)的方法蒸鍍鋁電極，得到無機薄膜太陽電池。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中氧化鎘與碲粉的摩爾數(shù)比值為2 1，氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的摩爾數(shù)比值為I : 6 5，三辛基膦與碲粉摩爾數(shù)比值為5. 6 : I ;反應(yīng)溫度為260°C，反應(yīng)時間為5min。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟I)中CdTe納米晶體為直徑5nm的量子點。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟2)中氧化鎘與硫粉的摩爾數(shù)比值為2 1，氧化鎘、油酸及三辛基氧化膦的摩爾數(shù)比值為I : 6 5，三辛基膦與硫粉摩爾數(shù)比值為5. 6 : I ;反應(yīng)溫度為260°C，反應(yīng)時間為15min。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟2)中CdS納米晶體為直徑為IOnm的量子點。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟3)中氫氧化鉀的甲醇溶液濃度為O.43mmol/ml,乙酸鋒的甲醇溶液濃度為O. 108mmo1 /ml
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟4)中CdTe納米晶體“墨水”的濃度為100mg/ml，CdS納米晶體“墨水”的濃度為70mg/ml，Zn0納米晶體“墨水”的濃度為40mg/ml。
8.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟5)中CdTe薄膜厚度為150nm，CdS薄膜厚度為80nm，ZnO薄膜厚度為40nm。
9.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于步驟6)中鋁電極厚度為100-120nm之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備基于有機過程的無機薄膜太陽電池的方法。該方法采用微乳液法合成直徑為10nm左右的碲化鎘(CdTe)及硫化鎘(CdS)納米晶體、直徑為5nm左右的氧化鋅(ZnO)納米晶體，通過旋涂納米晶體“墨水”的方法得到CdTe/CdS平面異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有明顯的光伏特性，可以用于作為太陽電池的有源層；旋涂ZnO納米晶體“墨水”得到ZnO薄膜作為陰極緩沖層。通過該方法制備基于有機過程的無機薄膜太陽電池，降低了傳統(tǒng)太陽電池較高的制作成本。本發(fā)明的重點在于避免了制備傳統(tǒng)太陽電池所需要的高真空環(huán)境、以及復(fù)雜昂貴的設(shè)備，降低了太陽電池的制作成本。
文檔編號H01L31/18GK102810595SQ20111014822
公開日2012年12月5日 申請日期2011年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月3日
發(fā)明者徐文清, 曲勝春, 張君夢, 譚付瑞, 劉孔, 王占國, 屈盛 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所, 歐貝黎新能源科技股份有限公司