一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，將稀土離子均勻分散于含錫或含鈦的致密層溶液中，采用刮涂法或旋涂法或噴霧法成膜于導電基底材料上，通過高溫燒結獲得稀土離子摻雜的二氧化錫或二氧化鈦的多功能薄膜。該薄膜具有阻擋層的功能，能有效降低光生電子的回傳，進而提高太陽能電池的光電性能；具有上轉換或下轉換的功能，能有效拓展太陽能電池對太陽光的吸收光譜范圍，進而提高太陽能電池的光電性能；具有下轉換功能的薄膜，還具有防止吸光材料被紫外光降解的功能，能有效提高太陽能電池的長期穩定性。該薄膜可滿足高效低成本太陽能電池應用的要求，且具有制備條件溫和可控，制備方法簡單有效，成本低，有利于大規模生產的特點。
【專利說明】
一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及太陽能電池功能薄膜，具體屬于一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法。
【背景技術】
[0002]染料敏化太陽能電池或鈣鈦礦太陽能電池是一種新型光電轉換裝置，它具有效率高、成本低、穩定性好等優點，可采用旋涂、絲網印刷、快速涂布等技術，便于大面積生產，具有較強的競爭力，有廣泛的應用前景。該太陽能電池是以熱穩定性和光化學穩定性好的寬禁帶二氧化鈦為基體半導體材料，在其表面制備一層吸光材料用以吸收可見光，產生光生電子，從而達到光電轉換的效果。高效率的太陽能電池的關鍵在于光陽極的制備。
[0003]現有的光陽極制備方法主要有將二氧化鈦膠體涂敷于含二氧化鈦致密層(功能薄膜)的導電基底上，經過高溫燒結而形成的。其中，致密層作為電子回傳的阻擋層，能有效降低電子復合，提高電池的光電性能。但傳統致密層的功能單一(只具有阻擋層的功能)，為進一步提高太陽能電池的光電轉換性能和長期穩定性，制備具有阻擋層功能、上下轉換層功能以及防止吸光材料降解的多功能薄膜，對提高太陽能電池光電轉換效率以及長期穩定性意義重大。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法。該方法可制備出滿足高效低成本太陽能電池光陽極應用要求的薄膜。該薄膜應具有阻擋層的功能、上轉換或下轉換的功能、下轉換功能的薄膜還具有防止吸光材料被紫外光降解的功能。
[0005]為了達成上述目的，本發明的技術解決方案是:
[0006]—種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，將稀土離子均勻分散于含錫或含鈦的致密層溶液中，采用刮涂法或旋涂法或噴霧法成膜于導電基底材料上，通過高溫燒結獲得稀土離子摻雜的二氧化錫或二氧化鈦的功能薄膜。
[0007]具體制備方法，包括如下步驟:
[0008]I)制備濃度為0.3-1.5mmol.L—1的含錫或含鈦的致密層溶液；
[0009]2)制備含稀土離子總濃度為0.1-0.5mol.L—1的醇溶液或水溶液；
[0010]3)按體積比1:10-30，將步驟2)制備的含稀土離子的醇溶液或水溶液加入至步驟I)制備的含錫或含鈦的致密層溶液中，攪拌均勻，獲得含稀土離子的混合溶液；
[0011]4)清洗導電基底，將步驟3)制備的混合溶液刮涂或旋涂或噴霧涂于清洗過的導電基底上，晾干，燒結，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。
[0012]所述的含錫或含鈦的致密層溶液為四氯化錫的乙醇溶液、四氯化錫的水溶液、異丙氧醇鈦的異丙醇溶液、鈦酸四正丁酯的正丁醇溶液或四氯化鈦水溶液。
[0013]所述的稀土氧化物為三氧化二釔、三氧化二鈰、三氧化二釹、三氧化二钷、三氧化二釤、三氧化二銪、三氧化二釓、三氧化二鋱、三氧化二鏑、三氧化二鈥、三氧化二鉺、三氧化二鎊和三氧化二鐿中的一種或幾種。
[0014]所述步驟2)中的醇為乙醇、異丙醇或正丁醇。
[0015]所述的含稀土離子的醇溶液或水溶液加入至含錫或含鈦的致密層溶液中的比例是I: 15-25范圍之間ο
[0016]所述的導電基底采用FTO導電玻璃和ITO導電玻璃中的一種。
[0017]所述的太陽能電池為染料敏化太陽能電池或鈣鈦礦太陽能電池。
[0018]本發明的有益效果:采用該方法制備的多功能薄膜具有以下功能:I)具有阻擋層的功能，能有效降低光生電子的回傳，從而提尚光生電子的有效壽命，進而提尚太陽能電池的光電性能;2)具有上轉換或下轉換的功能，能將紅外光或紫外光轉變成可見光，從而有效拓展太陽能電池對太陽光的吸收光譜范圍，進而提高太陽能電池的光電性能；3)具有下轉換功能的薄膜，還具有防止吸光材料被紫外光降解的功能，能有效提高太陽能電池的長期穩定性。本發明制備條件溫和可控，方法簡單有效，成本低，有利于商業化大規模生產。通過本發明方法制備的薄膜用于制備太陽能電池光陽極，并組裝成太陽能電池，目前光電轉換效率最高達到16.33%，完全滿足太陽能電池的應用要求。
【具體實施方式】
[0019]實施例1
[0020]第一步，將四氯化錫溶于無水乙醇中，制備0.5mmol.L—1四氯化錫致密層溶液；
[0021]第二步，采用水熱法，將三氧化乾、三氧化鐿、三氧化銪按摩爾比為8:1.9:0.1混合溶解于硝酸溶液中，加熱蒸發濃縮，獲得含上述三種稀土離子的硝酸鹽，分散至無水乙醇中，制備含稀土離子總濃度為0.2mol.L—1的乙醇溶液；
[0022]第三步，按體積比1:20，將第二步制備的含稀土離子的乙醇溶液加入至第一步制備的四氯化錫致密層溶液中，攪拌均勻；
[0023]第四步，清洗FTO導電基底，將第三步制備的混合溶液旋涂于清洗過的FTO導電基底上，先500轉/分鐘旋涂10秒，再6000轉/分鐘旋涂30秒，瞭干，500 °C燒結半小時，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。
[0024]該多功能薄膜能將378nm波長的紫外光轉變成637nm、666nm和678nm等波長的可見光，將獲得的多功能薄膜用于制備二氧化鈦光陽極，然后組裝成染料敏化太陽能電池。當光強為10mW.cm—2時，該電池光電流密度為18.70mA.cm—2，開路電壓為0.78V，填充因子為0.72，光電轉換效率達到10.50%，并且該太陽能電池的穩定性提高了20.1 %。
[0025]實施例2
[0026]第一步，將四氯化錫溶于無水乙醇中，制備0.5mmol.L—1四氯化錫致密層溶液；
[0027]第二步，采用水熱法，將三氧化釔、三氧化鈰、三氧化鏑按摩爾比為8:1.8:0.2混合溶解于硝酸溶液中，加熱蒸發濃縮，獲得含上述三種稀土離子的硝酸鹽，分散至無水乙醇中，制備含稀土離子總濃度為0.3mol.L—1的乙醇溶液；
[0028]第三步，按體積比1:25，將第二步制備的含稀土離子的乙醇溶液加入至第一步制備的四氯化錫致密層溶液中，攪拌均勻；
[0029]第四步，清洗FTO導電基底，將第三步制備的混合溶液旋涂于清洗過的FTO導電基底上，先500轉/分鐘旋涂10秒，再6000轉/分鐘旋涂30秒，瞭干，500 °C燒結半小時，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。
[0030]該多功能薄膜能將385nm波長的紫外光轉變成637nm、663nm和678nm等波長的可見光，將獲得的多功能薄膜用于制備二氧化鈦光陽極，然后組裝成染料敏化太陽能電池。當光強為10mW.cm—2時，該電池光電流密度為18.50mA.cm—2，開路電壓為0.76V，填充因子為
0.71，光電轉換效率達到9.98 %，并且該太陽能電池的穩定性提高了 18.6 %。
[0031]實施例3
[0032]第一步，將四氯化鈦溶于無水乙醇中，制備0.3mmol.L—1四氯化鈦致密層溶液；
[0033]第二步，采用水熱法，將三氧化乾、三氧化鐿、三氧化鉺按摩爾比為8:2:0.1混合溶解于三氟乙酸溶液中，加熱蒸發濃縮，獲得含上述三種稀土離子的三氟乙酸鹽，分散至無水乙醇中，制備含稀土離子總濃度為0.3mol.L—1的乙醇溶液；
[0034]第三步，按體積比1:15，將第二步制備的含稀土離子的乙醇溶液加入至第一步制備的四氯化鈦致密層溶液中，攪拌均勻；
[0035]第四步，清洗FTO導電基底，將第三步制備的混合溶液旋涂于清洗過的FTO導電基底上，先500轉/分鐘旋涂10秒，再6000轉/分鐘旋涂30秒，瞭干，500 °C燒結半小時，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。
[0036]該多功能薄膜能將980nm波長的紅外光轉變成550nm和675nm等波長的可見光，將獲得的多功能薄膜用于制備二氧化鈦光陽極，然后組裝成染料敏化太陽能電池。當光強為10mff.cm—2時，該電池光電流密度為17.35mA.cm—2，開路電壓為0.78V，填充因子為0.65，光電轉換效率達到8.80 %。
[0037]實施例4
[0038]第一步，將四氯化鈦溶于水中，制備0.3mmol.L—1四氯化鈦致密層溶液；
[0039]第二步，采用水熱法，將三氧化乾、三氧化鐿、三氧化釹按摩爾比為8:2:0.1混合溶解于三氟乙酸溶液中，加熱蒸發濃縮，獲得含上述三種稀土離子的三氟乙酸鹽，分散至去離子水中，制備含稀土離子總濃度為0.2mol.L—1的水溶液；
[0040]第三步，按體積比1:15，將第二步制備的含稀土離子的水溶液加入至第一步制備的四氯化鈦致密層溶液中，攪拌均勻；
[0041 ]第四步，清洗FTO導電基底，將第三步制備的混合溶液旋涂于清洗過的FTO導電基底上，先500轉/分鐘旋涂10秒，再6000轉/分鐘旋涂30秒，瞭干，500 °C燒結半小時，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。
[0042]該多功能薄膜能將991nm波長的紅外光轉變成560nm和671nm等波長的可見光，將獲得的多功能薄膜用于制備二氧化鈦光陽極，然后組裝成染料敏化太陽能電池。當光強為10mff.cm—2時，該電池光電流密度為17.1OmA.cm—2，開路電壓為0.76V，填充因子為0.71，光電轉換效率達到9.23%。
[0043]實施例5
[0044]第一步，將四氯化錫溶于無水乙醇中，制備0.5mmol.L—1四氯化錫致密層溶液；
[0045]第二步，采用水熱法，將三氧化乾、三氧化鐿、三氧化銪按摩爾比為8:2:0.1混合溶解于三氟乙酸溶液中，加熱蒸發濃縮，獲得含上述三種稀土離子的三氟乙酸鹽，分散至無水乙醇中，制備含稀土離子總濃度為0.4mol.L—1的乙醇溶液；
[0046]第三步，按體積比1:15，將第二步制備的含稀土離子的乙醇溶液加入至第一步制備的四氯化錫致密層溶液中，攪拌均勻；
[0047]第四步，清洗FTO導電基底，將第三步制備的混合溶液旋涂于清洗過的FTO導電基底上，先500轉/分鐘旋涂10秒，再6000轉/分鐘旋涂30秒，瞭干，500 °C燒結半小時，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。
[0048]該多功能薄膜能將380nm波長的紫外光轉變成638nm、663nm和675nm等波長的可見光，將獲得的多功能薄膜用于制備二氧化鈦光陽極，然后組裝成鈣鈦礦太陽能電池。當光強為10mW.cm—2時，該電池光電流密度為21.40mA.cm—2，開路電壓為1.06V，填充因子為
0.72，光電轉換效率達到16.33 %，并且該太陽能電池的穩定性提高了 15.5 %。
【主權項】
1.一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)制備濃度為0.3-1.5mmol.L—1的含錫或含鈦的致密層溶液； 2)制備含稀土離子總濃度為0.1-0.5mol.L—1的醇溶液或水溶液； 3)按體積比I: 10-30，將步驟2)制備的含稀土離子的醇溶液或水溶液加入至步驟I)制備的含錫或含鈦的致密層溶液中，攪拌均勻，獲得含稀土離子的混合溶液； 4)清洗導電基底，將步驟3)制備的混合溶液刮涂或旋涂或噴霧涂于清洗過的導電基底上，晾干，燒結，冷卻至室溫，獲得多功能薄膜。2.如權利要求1所述的一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，所述的含錫或含鈦的致密層溶液為四氯化錫的乙醇溶液、四氯化錫的水溶液、異丙氧醇鈦的異丙醇溶液、鈦酸四正丁酯的正丁醇溶液或四氯化鈦水溶液。3.如權利要求1所述的一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，所述的稀土氧化物為三氧化二乾、三氧化二鋪、三氧化二釹、三氧化二钷、三氧化二釤、三氧化二銪、三氧化二 IL、三氧化二鋪、三氧化二鏑、三氧化二鈥、三氧化二鉺、三氧化二鎊和三氧化二鐿中的一種或幾種。4.如權利要求1所述的一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，所述步驟2)中的醇為乙醇、異丙醇或正丁醇。5.如權利要求1所述的一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，所述的含稀土離子的醇溶液或水溶液加入至含錫或含鈦的致密層溶液中的比例是I: 15-25。6.如權利要求1所述的一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，所述的導電基底為FTO導電玻璃或ITO導電玻璃。7.如權利要求1所述的一種太陽能電池多功能薄膜的制備方法，其特征在于，所述的太陽能電池為染料敏化太陽能電池或鈣鈦礦太陽能電池。8.如權利要求1-7任一權利要求所述方法制備的太陽能電池多功能薄膜。
【文檔編號】H01L31/18GK105826430SQ201610317179
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年5月12日
【發明人】肖堯明, 韓高義
【申請人】山西大學