一種雜化異質結太陽能電池的制備方法
【技術領域】
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[0001 ] 本發(fā)明屬于太陽能電池制備技術領域，涉及一種雜化異質結太陽能電池的制備方法，通過提高二氧化鈦(Ti02)納米棒陣列的光吸收范圍和光生載流子迀移率、降低光生載流子的復合率，增強雜化異質結太陽能電池的光電轉化性能。
【背景技術】
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[0002]隨著世界經濟的快速發(fā)展，以煤、石油和天然氣為主的化石能源被大量消耗，同時造成了嚴重的環(huán)境污染問題，研究和開發(fā)可再生的和可替代的新能源對實現(xiàn)人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。太陽能具有綠色、可再生和永不枯竭的特點，是最有潛力替代化石燃料的能源。太陽能電池又稱為太陽能芯片和光電池，是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置，利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片，只要被光照到，瞬間就可輸出電壓在有回路的情況下產生電流，在物理學上稱為太陽能光伏，簡稱光伏。太陽能電池以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，以光化學效應工作的實施太陽能電池還處于萌芽階段；在現(xiàn)有技術中，晶體硅太陽能電池存在制造工藝復雜，成本高和污染環(huán)境的問題，并且受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應，穩(wěn)定性不高，影響實際應用。有機-無機雜化異質結太陽能電池具有材料種類多，制備工藝簡單，原料價格低廉，可制備大面積和可彎曲器件的優(yōu)點，應用前景廣闊。Ti02由于具有優(yōu)良抗光腐蝕的能力和光電化學性能，被廣泛地應用于太陽能電池、光催化和光解水制氫領域。中國專利申請?zhí)枮?01410641369.0的火柴狀1102納米顆粒和納米棒復合陣列的制備方法公開了用水熱法在透明導電玻璃襯底上制備出二氧化鈦納米棒陣列，以高純金屬Ti作為濺射靶材，通過直流磁控濺射法，在制備好的二氧化鈦納米棒頂端表面沉積Ti納米顆粒，通過空氣中的退火晶化，形成火柴狀Ti02納米顆粒和納米棒復合陣列；相比較傳統(tǒng)的納米顆粒材料，該一維陣列結構可以為載流子傳輸提供直接通道，減少傳輸電阻和載流子復合，并且能夠增大入射光的散射效果，提高光吸收效率。中國專利申請?zhí)枮?01510016012.8的有機-無機雜化太陽能電池及其制備方法公開的電池的結構中，在Ti02納米棒陣列與p型有機聚合物聚-3-己基噻吩之間沉積了一層三苯胺，以提高空穴的迀移率。然而由于Ti02禁帶寬度比較大，以上專利均存在光譜響應范圍窄，太陽光利用率較低的缺點，從而導致太陽能電池的光電轉換效率較低。至今還未見有人報道過既能改善1102納米棒陣列異質結太陽能電池的界面接觸效果，又能拓寬其光吸收范圍的研究工作。因此，在采用具有高比表面積和優(yōu)良電子傳輸性能的Ti02納米棒陣列的同時改進雜化異質結太陽能電池的結構，能夠保證雜化異質結太陽能電池具有光吸收效率高、電子-空穴的復合幾率低和載流子迀移率高等優(yōu)點，獲得較大的電流密度和較高的光電轉化效率，推進雜化異質結太陽能電池的實用化進程，具有良好的社會和經濟價值，應用前景廣闊。
【發(fā)明內容】
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[0003]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的缺點，尋求設計一種雜化異質結太陽能電池的制備方法，旨在提高Ti02納米棒陣列的光吸收范圍和光生載流子迀移率，降低光生載流子的復合率，從而提高雜化異質結太陽能電池的電流密度和光電轉化性能。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的雜化異質結太陽能電池的制備方法包括制備導電玻璃基底、制備有序Ti02納米棒陣列薄膜層、制備三硫化二銻(Sb 2S3)納米薄膜層、制備
3-己基噻吩(P3HT)納米薄膜層和制備銀(Ag)薄膜電極五個步驟:
[0005](1)、制備導電玻璃基底:將厚度為0.8-2mm的導電玻璃裁剪成尺寸為l-4cmX l-4cm的正方形或長方形，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗后用氮氣吹干，完成導電玻璃基底的制備；
[0006](2)、制備有序Ti02納米棒陣列薄膜層:將0.2-0.4ml鈦源、10-15ml質量百分比濃度為37%的鹽酸(HC1)水溶液和20ml去離子水在磁力攪拌下混合均勻，得到20_30ml的Ti02前驅體溶液，將導電玻璃基底和1102前驅體溶液置于容積為50ml和內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼反應釜中，在90-150°C的條件下進行一步低溫水熱反應2-24h后將導電玻璃基底取出，再用去離子水清洗導電玻璃基底后在60-150°C的空氣中干燥，得到包裹有有序Ti02納米棒陣列薄膜層的導電玻璃基底，完成有序Ti02納米棒陣列薄膜層的制備；
[0007](3)、制備Sb2S3納米薄膜層:將體積為30mL和濃度為0.01-0.04mol/L的三氯化銻(SbCl3)與體積為30mL和濃度為0.1-0.4mol/L的硫代硫酸鈉(Na2S203)倒入燒杯中混合均勻，采用常規(guī)的化學液相沉積法將步驟(2)得到的導電玻璃基底置于燒杯中在0°C的條件下沉積l_5h，取出導電玻璃基底并用去離子水清洗后在氮氣氣氛中烘干，然后將導電玻璃基底置于250-400°C條件下的氮氣氣氛中退火晶化l_3h，得到包裹有Ti02/Sb2S3復合納米棒陣列薄膜層的導電玻璃基底，完成Sb2S3納米薄膜層的制備；
[0008](4)、制備P3HT納米薄膜層:采用常規(guī)的旋轉涂膜法在步驟⑷制得的導電玻璃基底的表面沉積一層P3HT在150°C條件下退火0.5-2h，得到包裹有Ti02/Sb2S3/P3HT復合納米棒陣列薄膜層的導電玻璃基底，完成P3HT納米薄膜層的制備；
[0009](5)、制備Ag薄膜電極:在真空條件下使用常規(guī)的熱蒸鍍法或磁控濺射法在步驟(4)制得的導電玻璃基底的表面鍍Ag電極，得到Ti02/Sb2S3/P3HT雜化異質結太陽能電池。
[0010]本發(fā)明涉及的導電玻璃包括FT0導電玻璃和ΙΤ0導電玻璃，F(xiàn)T0導電玻璃是摻雜氟的二氧化錫(Sn02)的透明導電玻璃；ΙΤ0導電玻璃是在鈉鈣基或硅硼基基片玻璃上鍍一層氧化銦錫膜加工制成。
[0011]本發(fā)明涉及的鈦源包括鈦酸異丙酯(TTIP)和鈦酸丁酯(TBT)。
[0012]本發(fā)明涉及的P3HT是p型P3HT。
[0013]本發(fā)明制備的雜化異質結太陽能電池具有光電轉化效率高，使用壽命長，能量轉化效率高和電能穩(wěn)定的優(yōu)點；在雜化異質結太陽能電池上添加界面修飾層以提高其光電轉換性能，對推動雜化異質結太陽能電池的實用化進程有重要意義。
[0014]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，采用一步低溫水熱法制備有序Ti02納米棒陣列薄膜層，再采用簡便易行的化學液相沉積法在有序打02納米棒陣列薄膜層的表面沉積Sb 2S3形成Sb2S3納米薄膜層，然后采用旋轉涂膜法在Sb 2S3納米薄膜層的表面沉積P3HT形成P3HT納米薄膜層，最后采用熱蒸鍍法或磁控濺射法在P3HT納米薄膜層的表面鍍Ag電極，制備得到Ti02/Sb2S3/P3HT無機-有機雜化異質結太陽能電池；其工藝簡單可控，原理科學合理，能耗和生產成本低，操作性強，使用環(huán)境友好，能夠回收再利用，易于大規(guī)模生產和推廣使用，對環(huán)保有重要的積極意義。
【附圖說明】
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[0015]圖1為本發(fā)明制備的雜化異質結太陽能電池的結構原理示意圖。
[0016]圖2為本發(fā)明實施例1制備的FT0導電玻璃基底和有序Ti02納米棒陣列薄膜層的XRD圖譜，有序Ti02納米棒陣列薄膜層為金紅石型。
[0017]圖3為本發(fā)明實施例制備的有序Ti02納米棒陣列薄膜層的掃描電鏡照片(a)和能譜圖(b)。
[0018]圖4為本發(fā)明實施例1制備的有序Ti02納米棒陣列薄膜層的低倍透射電鏡照片和選區(qū)電子衍射圖，有序1102納米棒陣列薄膜層為單晶金紅石型。
[0019]圖5為本發(fā)明實施例7制備的有序Ti02納米棒陣列薄膜層在FT0導電玻璃基底上的掃描電鏡照片，其中a、c和d為俯視圖，b為45°斜視圖。
[0020]圖6為本發(fā)明實施例8、實施例9和實施例10制備的有序Ti02納米棒陣列薄膜層在FT0導電玻璃基底上的掃描電鏡照片，其中a和c為仰視圖，b和d為45°斜視圖。
[0021]圖7為本發(fā)明實施例14制備的Sb2S3納米薄膜層的掃描電鏡照片，其中a和c為仰視圖，b和d為截面圖。
【具體實施方式】
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[0022]下面通過實施例并結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0023]實施例1:
[0024]本實施例涉及的雜化異質結太陽能電池的制備方法包括制備導電玻璃基底、制備有序Ti02納米棒陣列薄膜層、制備三硫化二銻(Sb2S3)納米薄膜層、制備3-己基噻吩(P3HT)納米薄膜層和制備銀(Ag)薄膜電極五個步驟:
[0025](1)、制備導電玻璃基底:將厚度為0.8mm的FT0透明導電玻璃裁剪成尺寸為lcmX lcm的正方形，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗后用氮氣吹干，完成導電玻璃基底的制備；
[0026](2)、制備有序Ti02納米棒陣列薄膜層:將0.2ml的TTIP、10ml質量百分比為37%的鹽酸(HC1)水溶液和20ml去離子水在磁力攪拌下混合均勻，得到30ml的1102前驅體溶液，將導電玻璃基底和1102前驅體溶液置于容積為50ml和內襯為聚四氟乙烯的不銹鋼反應釜中，在130°C的條件下進行一步低溫水熱反應15h后將導電玻璃基底取出，用去離子水清洗導電玻璃基底后在60°C的空氣中干燥，得到包裹有有序Ti02納米棒陣列薄膜層的導電玻璃基底，完成有序Ti02納米棒陣列薄膜層的制備；
[0027](3)、制備Sb2S3納米薄膜層:將體積為30mL和濃度為0.025mol/L的三氯化銻(SbCl3)與體積為30mL和濃度為0.25mol/L的硫代硫酸鈉(Na2S203)倒入燒杯中混合均勻，采用常規(guī)的化學液相沉積法將步驟(2)得到的導電玻璃基底置于燒杯中在0°C的條件下沉積2h，取出導電玻璃基底并用去離子水清洗后在氮氣氣氛中烘干，然后將導電玻璃基底置于250°C條件下的氮氣氣氛中退火晶化lh，得到包裹有Ti02/Sb2S3復合納米棒陣列薄膜層的導電玻璃基底，完成Sb2S3納米薄膜層的制備；
[0028](4)、制備P3HT納米薄膜層:采用常規(guī)的旋轉涂膜法在步驟⑷制得的導電玻璃基底的表面沉積一層p型P3HT在150°C條件下退火lh，得到包裹有Ti02/Sb2S3/P3HT復合納米棒陣列薄膜層的導電玻璃基底