一种稀土掺杂TiO2的杂化太阳电池的制作方法

本发明涉及太阳能电池的技术领域，具体涉及一种稀土掺杂TiO₂的杂化太阳电池。

背景技术：

稀土元素因为外层电子轨道和内部电子层结构相似，具有未填满的4f电子组态，所以含稀土元素的物质会表现出特有的物理化学性质，它特有的潜能在很多领域得到很好的开发应用，特别是光、声和磁方面。稀土荧光材料主要包括基质和激活剂两部分：基质一般为稀土或者碱金属化合物组成的绝缘体，包括晶体和非晶体；基质为激活离子，为电池提供合适的晶体场，同时也会影响阈值功率和输出电压电流。

镧（Ln）系离子拥有丰富的能级结构，有利于拓宽材料对太阳光谱的吸收范围，提高太阳电池的光电性能。更为重要的是，Ln系离子化合物的荧光寿命较长，这有助于光生电子形成长程扩散，提高体异质结结构的电荷分离效率。此外，Ln系化合物还具有化学、物理稳定性，具有较高量子产率和较大的吸收截面。过去的研究表明，稀土掺杂TiO2可有效调控其能级结构。n-型半导体材料是杂化太阳电池体异质结的核心部分，它不仅是p-型半导体材料的支撑或吸附载体，而且也是电子的传输载体。TiO2纳米晶作为n-型半导体，具有高介电常数、长激发态寿命、高能态密度、低电子-空穴复合率等诸多优点，使其成为理想的电子受体材料。目前所使用的p-型有机聚合物半导体材料与n-型半导体TiO2之间存在能级匹配不佳的问题，导致p-型有机材料中的光生子注入n-型半导体CB的效率降低，因而掺杂TiO2技术得到广泛的研究。

一个理想的太阳电池材料应具有良好的光吸收特性，而P3HT对光的吸收范围是有限的。通过控制TiO2基质晶态材料的生长条件，对基质材料的晶体场进行调节，实现对稀土元素下转换发光激活，提高稀土元素对太阳光的转换能力[63-65]，Eu3 、Tb3 、Ce3 、Sm3 、Dy3 等离子是常用的下转换稀土激活离子。不同的稀土材料在紫外光的照射下会发出不同颜色的光，选择性地加强特定波段的发光，再次被P3HT分子利用，增加P3HT的光能利用率。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够提高光电转换效率稀土掺杂TiO₂的杂化太阳电池。

为实现上述目的，从下至上依次包括：ITO导电玻璃、P型掺杂量子点层、N型掺杂量子点层、电子―空穴传输层，减反射涂层、对电极 ；其特征在于：在P型掺杂量子点层与 N 型掺杂量子点层之间均形成 PN 结。

进一步，所述 P 型掺杂稀土层为稀土SmPO₄掺杂TiO₂的纳米颗粒层。

进一步，所述 N 型掺杂稀土层为PEDOT:PSS作为空穴传输层的纳米颗粒层。

进一步，所述对电极选用铂金作为太阳电池的对电极，且对电极设置在减反射涂层上。

本发明的原理结构简单，设计合理，具有较强的可操作性，而且成本较低，适用于商业化生产。

本发明的优点是：稀土掺杂TiO2可有效调控其能级结构。n-型半导体材料是杂化太阳电池体异质结的核心部分，它不仅是p-型半导体材料的支撑或吸附载体，而且也是电子的传输载体。TiO2纳米晶作为n-型半导体，具有高介电常数、长激发态寿命、高能态密度、低电子-空穴复合率等诸多优点，使其成为理想的电子受体材料。目前所使用的p-型有机聚合物半导体材料与n-型半导体TiO2之间存在能级匹配不佳的问题，导致p-型有机材料中的光生子注入n-型半导体CB的效率降低，因而掺杂TiO2具有广泛的运用价值，适用于商业化生产。

附图说明

图1 是本发明专利结构示意图。

在图中，1、ITO导电玻璃，2、P型掺杂量子点层,3、N型掺杂量子点层,4、电子―空穴传输层，5、减反射涂层，6、对电极。

具体实施方式

一、铂金对电极的制备：铂金对电极采用电化学的方法来制备，其具体步骤如下：（1）以去离子水做溶剂，H2PtCl6·6H2O（0.5g）、(NH4)2HPO4（5g）和Na2HPO4 （15g）作为混合溶质配制成100 mL溶液；（2）将FTO导电玻璃切割成指定大小（20mm×15mm），用去离子水洗净后再用10%的NaOH溶液超声清洗30 min；（3）将玻璃放入除油剂（NaOH：76 g/L、Na3PO4：26 g/L和Na2CO3：30 g/L）中煮沸30 min后用去离子水冲洗干净；（4）以FTO导电玻璃作阴极，Pt作阳极，氯铂酸钾作电解液，在电流密度为60 mA·cm-2、80 ℃的条件下电镀2 min，在FTO导电层上得到一层光亮的铂镜，即为铂电极。

二、稀土SmPO4纳米颗粒的制备，具体步骤如下：

（1）将0.843 mmol Sm(NO3)3·6H2O粉末完全溶解在去离子水中；

（2）在（1）所述溶液中加入0.862 mol (NH4)2HPO4室温搅拌至产生白色絮状物沉淀；

（3）将絮状物沉淀移入100 mL的聚四氟乙烯反应釜中，加入去离子水至液面到达容器的80%，用H3PO4调节pH值为4；

（4）将反应釜转移至烘箱中200 ℃水热12 h，结束后自然冷却至室温，即得白色悬浮溶液；

（5）将水热后的产品离心分离得粉末，用去离子水洗涤粉末至中性，烘干得粗产物粉末，再经850 ℃高温烧结30 min即可获得SmPO4。

三、稀土SmPO4掺杂的TiO2，采用水热法制备，具体步骤如下：

（1）取10 mL钛酸四正丁酯缓慢滴加至装有10 mL去离子水的锥形瓶中至溶液逐渐出现浑浊，室温搅拌30 min后，将瓶中溶液抽滤得白色粉末；

（2）将制得的滤粉移入250 mL圆底烧瓶中，加入10 mL冰乙酸（10 mL）和0.8 mL浓硝酸（0.8 mL），80 ℃搅拌15 min；

（3）加入160 mL去离子水至（2）中所述溶液，80 ℃密闭磁力搅拌至瓶中呈现淡蓝色透明胶体；

（4）将胶体移入100 mL反应釜中200 ℃水热12 h得TiO2前驱体；

（5）水热结束后，去掉上清液，取65 mL下层白色胶体于锥形瓶中，加入P25（0.75 g, 10 wt%）和SmPO4粉末（0.375 g，5 wt%）；

（6）加入去离子水至150 mL，超声分散30 min；

（7）将（6）所述溶液移入100 mL反应釜中200 ℃水热12 h得钐离子掺杂TiO2粗产物；

（8）往水热后的溶液中加入PEG-20000（0.5 g）和4滴OP乳化剂，80 ℃浓缩至乳白色胶状得Sm3 掺杂TiO2。

四、杂化太阳电池器件的制备组装，其特征步骤如下：

（1）将TiO2胶体刮涂到导电玻璃FTO层上；

（2）在箱式电阻炉中450 ℃煅烧1.5 h，自然冷却；

（3）将附有TiO2的玻璃放入p-型半导体P3HT的甲苯溶液（0.05M）中浸泡12 h，取出自然烘干得p-n体异质结结构

（4）滴加2滴空穴传输材料PEDOT:PSS在体异质结正上方，盖上上述制得的铂金对电极，用夹子紧密夹紧即制得简易有机/无机杂化体异质结太阳电池。

五、通过上诉步骤可制备出低成本、半高峰宽大、丰富能级结构的高光电转换效率稀土掺杂TiO2的杂化太阳电池。