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染料敏化太阳能电池制备工艺简单、成本低廉且转化效率相对较高,是最有希望产业化的太阳电池之一。科学家经过30年的努力,已将这类电池的效率提高到了12%,但与理论的31%相比还有很大上升空间。为了进一步提高电池性能,降低成本,众多研究者在开发高效有机/无机染料及电解质方面,进行了大量的实验和理论研究。
半导体纳米晶(QDs)作为新型无机染料具有其他染料不可比拟的优点:1)QDs具有量子限域效应,电子能级分立,可通过粒径控制来调节太阳电池的光谱响应范围,从而实现全波段吸收;2)QDs的消光系数高,较薄的薄层就能实现相同的吸收；3)QDs的偶极矩作用,能快速实现电荷分离。据Nozik计算,量子点敏化太阳电池的理论效率可达43%。
CuInS2量子点作为光敏剂,具有以下优点:(1)光学吸收系数高达6×105cm-1(2)导带位置与纳米TiO2相匹配,禁带宽度Eg为1.50 eV,接近太阳能电池材料最佳禁带宽度(1.45 eV)(3)低毒低成本,适合于大规模生产(4)具有较好的光化学稳定性。但目前存在的问题主要是CuInS2量子点的化学计量比及很难控制,得到的CuInS2量子点敏化电池的效率还很低。
本文以CuinS2量子点敏化太阳能电池为研究对象,开展了如下工作:1.连续离子层吸附法(SILAR)制备CuInS2量子点及太阳电池
1)分别以CuCl、InCl3·4H2O和NaES·9H2O为铜源、铟源和硫源,采用连续离子层吸附法制备了CuInS2。探讨了铜前驱体溶液对生长CuInS2的影响,采用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、X射线能谱(EDS)对样品进行了表征。研究发现:当以CuCl的水溶液为前驱体溶液制得的样品比其氨水溶液为前驱体溶液得到的样品更接近于理想的化学计量比,且有更优的孔道结构。
2)采用不同的敏化方式沉积了CuInS2量子点,采用XRD、SEM及电化学测试手段对其进行了光电性能的表征。研究发现:先Cu-S后In-S的沉积方式无法得到CuInS2,Cu-S、In-S交替沉积的方式得到的CuInS2很少且含有CuS杂相,先In-S后Cu-S的沉积方式能得到结晶性能好纯相的黄铜矿型CuInS2。
3)以In2S3为缓冲层,制备In2S3/CulnS2敏化光阳极,探讨了温度、敏化次数、ZnS修饰层和Al2O3修饰层对光阳极及太阳能电池的影响。研究发现:热处理550℃为最优温度,用UV-Vis表征其吸收边在800nm左右。随着敏化次数的增加,缓冲层变厚。修饰层ZnS能在一定程度上抑制CuInS2量子点与电解质界面电子的复合,能使电池的效率提高50%。Al2O3修饰层使电池性能下降了,可能是药品水解造成杂质太多或修饰层过厚引起的。制备了量子点敏化太阳能电池(QDSCs),本研究中,我们获得了CuInS2QDSCs中相对较高的效率ca.0.92%(Voc=0.35V,Jsc=8.49mA·cm-2,FF=0.31)。
2.化学浴法(CBD)制备CuInS2
以CuCl2·2H2O为铜源,NTA为铜的络合剂,InCl3·4H2O为铟源,CTA为铟的络合剂,以硫脲为硫源,改变溶液pH值、反应物的浓度及络合剂,采用化学浴沉积法制备了CuInS2。研究发现:在本文体系下CuInS2的生长环境为弱碱性;改变浓度,当溶液中In3+浓度为24mmol/L,所得到的CuInS2化学计量比更加符合理想的化学计量比;增加铜的络合剂和减少铟的络合剂均能优化CuInS2化学计量比及结晶性能。但用这种方法制备的CuInS2不产生光电流,这主要是由于CBD法制备的CuInS2光阳极在滴加电解质后与基底的脱落造成的。
3.硫基离子液体电解质的制备及其应用
采用两步合成法制备出了一种新型的硫基离子液体,用核磁共振谱对其结构进行了表征,并用紫外-可见分光光度计(UV-Vis)及电化学工作测试站对其光电性能进行了表征。研究得出:这种新型硫基离子液体为1-甲基-3-丙基咪唑硫,密度为1.35g/ml,在273nm处有吸收,不会对量子点的吸收产生影响。并以此硫基离子液体作为溶剂和硫源配制了新的多硫电解质,以CdSe为光阳极,制备了电池,得出:这种硫基离子液体电解质得到的电池其光电压和光电流均高于传统的水基多硫电解质,但其填充因子比较低。