一种胶体量子点敏化硅基太阳能电池片及其制备方法

摘要

本发明涉及光电纳米材料及太阳能电池领域，特别涉及一种胶体量子点敏化硅基太阳能电池片及其制备方法，该硅基太阳能电池片表面沉积量子点，该量子点的粒径为5-10nm。制备方法为：首先在金属盐溶液中加入络合剂或表面活性剂中的一种或两种，配制成前驱液；将含硫溶液缓慢滴入前驱液中，搅拌，制得胶体量子点溶液；再将胶体量子点溶液涂覆在经过预处理的硅基太阳能电池片表面；最后将硅基太阳能电池片真空干燥5-15分钟。所述硅基太阳能电池片的量子点粒径均一、结合紧密，对太阳光具有较强的吸收作用，可以减少电池表面光反射，提高了硅基太阳能电池的光电转换率，且制备工艺简单、易操作，原料廉价、易得，适合工业化生产。

说明书

技术领域

本发明涉及光电纳米材料及太阳能电池领域，特别涉及一种胶体量子点敏化硅基太阳能电池片及其制备方法。

背景技术

太阳能，是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用当中，大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，也是其中最受瞩目的项目之一。为此，人们研制和开发了太阳能电池。在太阳能电池众多分类中，硅基电池是目前转换效率最高，技术最为成熟的光伏器件。晶硅太阳能电池的理论转化效率可达31%，实验报道的最高转化效率为25%，而工业化生产的成品电池效率约为15%。制约晶硅电池光电转换效率的主要原因，其一是晶硅材料的光吸收效率不高。其二是电池板的光反射作用影响了晶硅电池的光吸收效率，而一系列减反射措施如：表面织构化、表面蚀刻、发射区钝化、分区掺杂、溅射Si₃N₄减反射涂层等处理大大增加了生产成本。因此，进一步提高晶硅电池的光电转换效率并降低生产成本是此行业努力方向。

量子点具有吸收光谱宽、吸收系数高的特性，因而能够作为与氮化硅辅助的光吸收材料，能够拓宽晶硅电池的吸收光谱。量子点的量子限域效应，使得其具有减缓热载流子冷却速率和电子驰豫的作用，可使热载流子在冷却到带边之前，将它们捕获利用。如果热载流子的全部能量能够被捕获，则光电转换效率理论上可以达到66%以上。若将现有硅基材料与量子点结合，形成量子点与硅基材料的异质结构，则硅基电池光电转换效率将具有进一步提升的潜力。现有的胶体量子点太阳能电池的光电转换效率较低，而且量子点的粒径偏大，量子点间结合不够紧密，导致量子点之间的距离偏大，从而影响了电池的光电转化效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种胶体量子点敏化硅基太阳能电池片，该胶体量子点稳定性高，粒径均匀，量子点间结合紧密，量子点的粒径在5-10nm，而且该硅基电池片的光点转化效率高。

本发明的另一个目的是提供上述胶体量子点敏化硅基太阳能电池片的制备方法，该制备工艺简单易操作，原料价廉易得，适合工业化生产。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种胶体量子点敏化硅基太阳能电池片，其特征在于：在硅基太阳能电池片表面沉积量子点，该量子点的粒径为5-10nm。

所述硅基太阳能电池片为硅基太阳能电池片为单晶硅、多晶硅、非晶硅及微晶硅太阳能电池片成品或半成品中的一种。

一种上述胶体量子点敏化硅基太阳能电池片的制备方法，其步骤包括，

（1）在金属盐溶液中加入络合剂或表面活性剂中的一种或两种，配制成前驱液；将含硫溶液缓慢滴入前驱液中，搅拌，制得胶体量子点溶液；

（2）将步骤（1）中的胶体量子点溶液涂覆在经过预处理的硅基太阳能电池片表面并真空干燥5-15分钟。

所述步骤（1）中的前驱液中的金属元素、络合剂和表面活性剂的用量比为：1mmol：0.02-1.0g：0.05-0.8g；金属元素与硫元素的摩尔比为1-4:1；含硫溶液以每分钟2-5滴的速度滴入前驱液中。优选的金属元素与硫元素的摩尔比为1-2:1。

所述步骤（1）中的金属盐为铅、锌、镉、铜、锡、铁、钴、镍的醋酸盐、氯化盐及硝酸盐中的一种；所述络合剂为3-巯基丙酸、2-巯基乙醇、乙二胺四乙酸、三乙醇胺中的一种；所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、六亚甲基四胺、十二烷基苯磺酸钠中的一种；所述含硫溶液中的硫元素来自硫化铵、硫化钠、硫代乙酰胺、硫脲中的一种；所述金属盐浓度为0.005-0.05mol/L；所述含硫溶液浓度为0.005-0.03mol/L。

所述步骤（2）中，将胶体量子点溶液采用滴涂、旋涂、喷涂、浸渍、点涂或刷涂中的一种，涂覆在预处理的硅基太阳能电池片表面。

所述步骤（2）中，用胶体量子点溶液浸渍或旋涂在硅基太阳能电池片表面后吹干，重复2-6次，真空干燥；或用胶体量子点溶液喷涂、滴涂、点涂或刷涂在硅基太阳能电池片表面、真空干燥，重复2-6次。

所述步骤（2）中，采用喷涂、滴涂、点涂或刷涂的涂覆方法前，用无水乙醇将胶体量子点溶液稀释成含有量子点浓度为0.001-0.06mol/L的胶体溶液。

所述步骤（2）中的硅基太阳能电池片的预处理方法为将硅基电池片分别浸入无水乙醇和二次蒸馏水超声清洗、烘干。

所述步骤（3）中的真空干燥的温度为200℃-250℃，真空度为0.05-0.1MPa。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明的胶体量子点的粒径均匀，量子点间结合紧密，量子点的粒径在5-10nm，对太阳光具有较强的吸收作用，可以减少电池表面光反射，且量子点能够减缓载流子复合速率，提高硅基太阳能电池的光电性能。

（2）本发明的胶体量子点在室温下可稳定存在120小时以上，胶体溶液可多次重复利用。

（3）经敏化处理后的硅基太阳能电池片的吸光度及光电转换效率明显提高，而且比现有技术中采用原位生长法敏化的晶硅电池片的光电转换效率提高了1%左右。

（4）本发明的制备工艺简单、易操作，原料廉价、易得，适合工业化生产。

附图说明

图1为实施例1中制得的硫化铅胶体量子点敏化半成品晶硅电池片FESEM图像。

图2为实施例2中制得的硫化铅胶体量子点敏化成品晶硅电池片FESEM图像。

图3为实施例1中制得的硫化铅胶体量子点敏化半成品晶硅电池片与未经敏化处理样片吸收光谱对比图。

图4为实施例2中制得的硫化铅胶体量子点敏化成品晶硅电池片与未经敏化处理样片吸收光谱对比图。

图5为实施例1中制得的硫化铅胶体量子点敏化半成品晶硅电池片与未经敏化处理样片光电性能对比图。

图6为实施例2中制得的硫化铅胶体量子点敏化成品晶硅电池片与未经敏化处理样片光电性能对比图。

图7为采用现有技术中的原位生长法敏化成品晶硅电池片与实施例2中制得的硫化铅胶体量子点敏化成品晶硅电池片的光电性能对比图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步说明：

实施例1

（1）硅基太阳能电池片的预处理：

将单晶硅太阳能电池片半成品浸入无水乙醇溶剂超声清洗20s，再浸入二次蒸馏水中超声清洗2min，烘干；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.005mol/L的醋酸铅溶液中加入1.06g的络合剂3-巯基丙酸和0.91g的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化胺溶液，以20s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（1）中的经过预处理的单晶硅太阳能电池片半成品浸入步骤（2）中的胶体量子点溶液中，浸渍30s，以0.5cm/s的速度缓慢提拉，用吹风机吹干，此为一个沉积吸附周期，如此循环2次；

（4）热处理：

将步骤（3）中的单晶硅太阳能电池片放在真空干燥箱中干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为10min，真空度为0.097-0.099MPa，得到胶体量子点敏化半成品晶硅电池片样品，进行检测，检测结果如下：

图1为胶体量子点敏化半成品晶硅电池片FESEM图像，从图中可看出，晶硅电池片表面的量子点的粒径在5-10nm之间，量子点间结合比较紧密。

图3为胶体量子点敏化半成品晶硅电池片与未经敏化处理样片吸收光谱对比图，从图中可看出，经过硫化铅胶体量子点敏化后，晶硅电池片的吸光度明显提高。

图5为胶体量子点敏化半成品晶硅电池片与未经敏化处理样片光电性能对比图，经三电极体系检测（光照条件为AM1.5，电解液为1mol/L硫化钠），短路电流增大17%-41%，开路电压增大2.8%-8.2%，填充因子增大13%-34%，光电转化效率相对值最大增加51%。

实施例2

将实施例1中的单晶硅太阳能电池片半成品换成单晶硅太阳能电池片成品，其他条件均不变，制得胶体量子点敏化成品晶硅电池片样品，进行检测，检测结果如下：

图2为胶体量子点敏化成品晶硅电池片FESEM图像，从图中可看出，晶硅电池片表面的量子点的粒径在5-10nm之间，量子点间结合比较紧密。

图4为胶体量子点敏化成品晶硅电池片与未经敏化处理样片吸收光谱对比图，从图4中可看出，经过硫化铅胶体量子点敏化后，晶硅电池片的吸光度明显提高。

图6为胶体量子点敏化成品晶硅电池片与未经敏化处理样片光电性能对比图，经两电极体系检测（光照条件为AM1.5，电解液为1mol/L硫化钠），短路电流增大0.9%-3.8%，开路电压增大0.8%-1.6%，填充因子增大2.2%-7.1%，光电转化效率最大增加0.9%。

图7为采用现有技术中的原位生长法敏化成品晶硅电池片与本实施例中制得的胶体量子点敏化成品晶硅电池片的光电性能对比图，从图中可看出，本实施例中制得的晶硅电池片比现有技术敏化得到的电池片的光电转换效率提高了1%左右。

实施例3

（1）硅基太阳能电池片的预处理：

将多晶硅太阳能成品电池片浸入无水乙醇溶剂超声清洗20s，再浸入二次蒸馏水中超声清洗3min，烘干硅基太阳能电池片的预处理；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.005mol/L的醋酸铅溶液中加入0.78g的络合剂2-巯基丙酸，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化钠溶液，以10s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

步骤（3）和步骤（4）同实施例1。

实施例4

（1）硅基太阳能电池片的预处理：

将多晶硅太阳能电池片成品浸入无水乙醇溶剂超声清洗30s，再浸入二次蒸馏水中超声清洗2min，烘干硅基太阳能电池片的预处理；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.005mol/L的醋酸铅溶液中加入2.93g的络合剂乙二胺四乙酸，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化钠溶液，以10s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

步骤（3）和步骤（4）同实施例1。

实施例5

（1）硅基太阳能电池片的预处理同实施例1；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.01mol/L醋酸镉溶液中加入1.06g的络合剂3-巯基丙酸和1.1g的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化胺溶液，以20s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（1）中的经过预处理的单晶硅太阳能电池片浸入步骤（2）中的胶体量子点溶液中，浸渍30s，以0.5cm/s的速度缓慢提拉，用吹风机吹干；

（4）热处理：

将步骤（3）中的单晶硅太阳能电池片在真空干燥箱中干燥，干燥温度为250℃，干燥时间为15min，真空度为0.097-0.099MPa。

实施例6

步骤（1）和步骤（2）同实施例1；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，使用喷涂的方法将其涂覆于电池片光照面上，直至溶液完全浸润硅基太阳能电池片表面；将太阳能电池片在真空干燥箱中干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为10min，真空度为0.097-0.099MPa，如此为一个周期，再重复喷涂2次。

实施例7

步骤（1）同实施例1；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.01mol/L醋酸铜溶液中加入1.33g的络合剂3-巯基丙酸和0.91g的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化胺溶液，以20s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，使用喷涂的方法将其涂覆于电池片光照面上，直至溶液完全浸润硅基太阳能电池片表面；

（4）将太阳能电池片在真空干燥箱中干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为10min，真空度为0.097-0.099MPa，如此为一个周期，再重复喷涂1次。

实施例8

步骤（1）和（2）同实施例1；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，缓慢均匀地滴至电池片光照面，待溶液浸润表面后开启旋涂机，转速为2000r/min，旋转时间为30s；如此为一个周期，旋涂6次。

（4）热处理：

将步骤（3）中的单晶硅太阳能电池片在真空干燥箱中干燥，干燥温度为200℃，干燥时间为15min，真空度为0.097-0.099MPa。

实施例9

步骤（1）同实施例1；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.005mol/L硝酸铅溶液中加入1.06g的络合剂3-巯基丙酸和1.1g的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化胺溶液，以20s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液。

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，缓慢均匀地滴至电池片光照面，待溶液浸润表面后开启旋涂机，转速为2000r/min，旋转时间为30s；如此为一个周期，再重复旋涂3次。

步骤（4）同实施例1。

实施例10

步骤（1）和步骤（2）同实施例1；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，将其采用滴涂的方法，缓慢均匀地滴至电池片光照面，直至溶液完全浸润表面后，使用真空干燥箱200℃下，热处理10min，如此为一个周期，再重复滴涂2次。

实施例11

步骤（1）同实施例1；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.01mol/L醋酸铅溶液中加入2.12g的络合剂3-巯基丙酸和2.2g的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化胺溶液，以20s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，将其采用点涂的方法，缓慢均匀地滴至电池片光照面，直至溶液完全浸润表面后，使用真空干燥箱200℃下，热处理10min，如此为一个周期，再重复点涂1次。

实施例12

步骤（1）和步骤（2）同实施例1；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，将其采用涂刷的方法，由软毛刷缓慢均匀地刷至电池片光照面，直至溶液完全浸润表面后，使用真空干燥箱200℃下，热处理10min，如此为一个周期，再重复涂刷2次。

实施例13

步骤（1）同实施例1；

（2）胶体量子点溶液的制备：

在体积为1L、浓度为0.01mol/L硝酸铅溶液中加入2.12g的络合剂3-巯基丙酸和2.2g的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵，制得前驱液；将体积为100mL、浓度为0.05mol/L硫化胺溶液，以20s一滴的速度，缓慢滴入至前驱液中，制得胶体量子点溶液；

（3）硅基太阳能电池片的涂覆：

将步骤（2）中的胶体量子点溶液与无水乙醇按照体积比为1:1的比例混合，将其采用涂刷的方法，由软毛刷缓慢均匀地刷至电池片光照面，直至溶液完全浸润表面后，使用真空干燥箱200℃条件下，热处理10min，如此为一个周期，再重复涂刷1次。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。