含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极，在FTO玻璃基片上由下至上依次为致密层、二维纳米晶光子晶体散射层、介孔纳米晶层。本发明专利技术还公开了含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极的制备方法，先采用PDMS软模版微挤压纳米晶胶体膜，制备了结构完整的周期性微结构的二维纳米晶光子晶体，再采用丝网印刷在二维光子晶体上层制备纳米晶膜，高温退火之后获得附有二维光子晶体散射层的介孔纳米晶光阳极。本发明专利技术的制备方法能获得结构规整、宏观大面积以及厚度可控的光子晶体，方法简单，成本低廉，制备出的光阳极能提高光电转换效率与电池效率。

【技术实现步骤摘要】
含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池
，具体涉及一种含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着人们对能源需求的不断增加和石化燃料储量的持续减少，寻找一种新的来源丰富、绿色环保的替代能源已成为目前科研的重要课题之一。太阳能作为一种取之不尽的天然能源日益受到人们的关注，尤其是把太阳能直接转化为电能的太阳能电池研究已成为研究的热点。敏化太阳能电池是上世纪90年代出现的第三代太阳能电池，在20世纪90年代以前，由于光电转化效率普遍较低，没有受到重视。直到1991年，瑞士Gratzel教授使用多孔TiO2薄膜搭配钌金属衍生物的染料分子与含有I-/I3-的电解液，制成结构为TiO2/电解质/Au的电池，其转转效率为7.1％～7.9％，从此开启敏化太阳能电池的研究热潮和产业契机，目前，这一效率已达到12.3％。伴随有机染料只吸收可见光谱局限性的出现，因半导体量子点所具有的特性可替代有机染料，发展了量子点敏化太阳能电池(QDSSC)。量子点相对于染料的优势，一方面，其具有量子限域效应，可以通过控制其尺寸和形状来调节量子点的带隙宽度，以此来调节吸收光谱的范围；另一方面，半导体量子点具有激子倍增效应(MEG)，一个高能量的光子可产生多个电子-空穴对(见A.Shabaev,Al.L.Efros,A.J.Nozik,Nano.Letters2006,6,第22856-22863页)。如果将半导体量子点的此两大优点应用到太阳能电池中，其电池效率的理论值可达到44％(M.C.Hanna,A.J.Nozik,Appl.Phys.2006,100,074510),比晶体硅太阳能电池的理论值32.9％高很多。在敏化太阳能电池结构未变的基础上，2012年开始，高效钙钛矿敏化太阳能电池出现，经过短短4年的发展，实验室效率以达到了20.1％。相对于晶体硅太阳能电池，敏化太阳能电池最大的竞争优势在于制备工艺简单、原料便宜、不需要大型无尘设备。因此，不论是在成本还是在应用上，敏化太阳能电池的发展潜力是巨大的。对于上述三种敏化太阳能电池的敏化支架，目前主要采用的是介孔的TiO2纳米晶膜，这种纳米晶膜可提供高的比表面用于光敏剂的加载，然而此结构除了存在严重的边界效应捕获电子的缺点之外，小于20nm尺寸的小粒径、无序的网状结构对光具有很差的散射能力，一部分光会透过纳米晶薄膜损失掉，鉴于载流子在介孔膜中的扩散长度与发生在界面的复合，增加薄膜的厚度虽然降低了光的透射损失，提高光吸收，但会导致转换效率的降低。如何在不增加薄膜厚度的情况下增加吸光层对光的吸收，一些提高光捕获技术被发展，例如反蛋白结构、吸光层顶部的散射层、纳米晶与纳米线的复合结构、金属等离子体纳米结构等等。周期性结构的光子晶体也被用于太阳能电池，通过布拉格反射，对应于光子晶体带隙频率的光被限制在薄膜内部，提高光吸收。一维光子晶体已被广泛的应用在平面异质结结构的电池。在敏化太阳能电池的光阳极结构中，如果能够引入与光阳极材料一致的二维光子晶体结构作为散射层，那么通过二维结构更高的布拉格反射，注入其中的光将被广泛的吸收，从而提高电池的光电流与效率。对于微纳结构的周期结构，光刻技术已被成熟的应用，但是标准的光刻技术所需设备昂贵，技术复杂，成本高。目前，软刻蚀法在材料大范围内的微纳米结构加工方面是一个很有希望的技术。与标准的光刻法制备图形化的策略比较，软刻蚀法显得更适合那些一步法、大面积图形化的要求。微接触压印(MCP)就是软刻蚀法的一种，是采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体作为一个印章、模子或者掩体，通过紧密的接触转移图形，此方法的缺点是所获得图案厚度很薄，很难实现二维光子晶体的作用。如何采用PDMS模版实现较厚二维纳米晶光子晶体薄膜是一个有待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极，通过在介孔纳米晶光阳极中引入二维纳米晶光子晶体作为光散射层，提高现有太阳能电池的光吸收，从而增强电池的光电流密度，进一步提高电池效率。本专利技术的另一个目的是提供上述含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极的制备方法，解决了现有制备方法难以制备出较厚二维纳米晶光子晶体薄膜的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极，在FTO玻璃基片上由下至上依次为致密层、二维纳米晶光子晶体散射层、介孔纳米晶层。优选地，二维纳米晶光子晶体为二维TiO2纳米晶光子晶体、二维ZnO纳米晶光子晶体或二维SnO2纳米晶光子晶体中的一种。优选地，上述三种二维纳米晶光子晶体散射层的厚度均为1-5um。本专利技术所采用的另一个技术方案是，上述含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极的制备方法，包括以下步骤：步骤1，制备纳米晶浆料。先将纳米晶通过搅拌和超声均匀地分散在乙醇中得到纳米晶胶体；再依次加入乙基纤维素乙醇溶液和松油醇，搅拌至分散均匀后，在水浴条件下使乙醇部分挥发，得到粘度适合于丝网印刷的纳米晶浆料，备用；取部分纳米晶浆料再用乙醇稀释，经超声后获得稳定的纳米晶乳悬液，备用。步骤2，制备二维纳米晶光子晶体薄膜。利用旋涂法在附有致密层的FTO玻璃基片上旋涂纳米晶乳悬液，接着将FTO玻璃基片有纳米晶乳悬液的一面盖在PDMS模版上，并施加竖直压力，使FTO玻璃基片上形成图形化的纳米晶膜，剥离PDMS模版之后，立即将纳米晶膜烘干，得到附有二维纳米晶光子晶体膜的基片。步骤3，制备附有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极膜采用丝网印刷技术在二维纳米晶光子晶体膜上涂覆纳米晶浆料，再放入马弗炉中煅烧，获得附有二维纳米晶光子晶体散射层的介孔光阳极膜。步骤4，CdSe量子点沉积采用SILAR法实现CdSe量子点在附有二维纳米晶光子晶体散射层的介孔光阳极膜内的沉积，得到含有二维纳米晶光子晶体散射层的用于敏化太阳能电池的光阳极。优选地，步骤1的纳米晶为TiO2纳米晶、ZnO纳米晶或SnO2纳米晶中的一种。优选地，步骤1的纳米晶的粒径为10-30nm。优选地，步骤1的纳米晶、松油醇和乙基纤维素的质量比为1：(5-7)：0.5。优选地，步骤1制备纳米晶乳悬液时的部分纳米晶浆料与乙醇的质量比为1：1-3。优选地，步骤2的旋涂法利用匀胶机进行旋涂，旋转速度为1000-3000rmp、连续旋涂1-5次，每一次旋转时间为10-30s。优选地，步骤3的煅烧具体为：先以3℃/min的速率从室温升到450℃，再退火30min。本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的光阳极中引入二维纳米晶光子晶体作为量子点敏化太阳能电池的光散射层，通过多重布拉格散射，增强注入光在光阳极内的光程，大幅提高注入光的捕获与利用，从而提高光电转换效率与电池效率。(2)本专利技术的制备方法可以制备出结构完整的周期性微结构的二维纳米晶光子晶体，无需昂贵高级的设备、复杂的工艺和苛刻的条件；工艺简单易操作，易获得结构规整完美、图案清晰、宏观大面积以及厚度可控的光子晶体。此制备方法重复性好，很方便于微纳制造领域的使用。附图说明图1是本专利技术微挤压法制备含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极的工艺流程图；图2是三种形貌的二维TiO2纳米晶光子晶体薄膜的电镜图；图2-a是第一种形貌的二维TiO2纳米晶光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极，其特征在于，在FTO玻璃基片上由下至上依次为致密层、二维纳米晶光子晶体散射层和介孔纳米晶层。

【技术特征摘要】
1.一种含有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极的制备方法，所述光阳极的结构为，在FTO玻璃基片上由下至上依次为致密层、二维纳米晶光子晶体散射层和介孔纳米晶层，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，制备纳米晶浆料先将纳米晶通过搅拌和超声均匀地分散在乙醇中得到纳米晶胶体；再依次加入乙基纤维素乙醇溶液和松油醇，搅拌至分散均匀后，在水浴条件下使乙醇部分挥发，得到粘度适合于丝网印刷的纳米晶浆料，备用；取部分纳米晶浆料再用乙醇稀释，经超声后获得稳定的纳米晶乳悬液，备用；步骤2，制备二维纳米晶光子晶体薄膜利用旋涂法在附有致密层的FTO玻璃基片上旋涂步骤1的纳米晶乳悬液，接着将FTO玻璃基片有纳米晶乳悬液的一面盖在PDMS模版上，并施加竖直压力，使FTO玻璃基片上形成图形化的纳米晶膜，剥离PDMS模版之后，立即将纳米晶膜烘干，得到附有二维纳米晶光子晶体膜的基片；步骤3，制备附有二维纳米晶光子晶体散射层的光阳极膜采用丝网印刷技术在二维纳米晶光子晶体膜上涂覆步骤1的纳米晶浆料，再放入马弗炉中煅烧，获得附有二维纳米晶光子晶体散射层的介孔光阳极膜；步骤4，CdSe量子点沉积采用SILAR法实现CdSe量子点在附有二维光子晶体散...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓建平，
申请(专利权)人：陕西理工学院，
类型：发明
国别省市：陕西;61