一种量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法

摘要

本发明公开了一种用于量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法，是通过电化学沉积结合硒化处理的方法制备铜铟硒对电极薄膜。本方法能够提高对电极催化活性及其在电解质中的稳定性，最终提高光伏器件的光电转换效率。本发明采用电化学沉积结合硒化处理的方法，具有成本低、操作简单、易工业生产等优点。

权利要求

1.一种用于量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：预处理

将导电衬底切割至所需尺寸，分别置于去污液、丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗10～

30min，随后置于紫外线臭氧清洗机处理20min，保存备用；

步骤2：电镀液的配制

将一水合柠檬酸、五水合硫酸铜、硫酸铟、二氧化硒与超纯水混合，搅拌至完全溶解获得电镀液；

步骤3：电化学沉积

将步骤2配制的电镀液加入电解槽中，以预处理后的导电衬底作为工作电极、以硫酸亚汞电极作为参比电极、以抛光不锈钢片作为对电极，构成三电极系统；采用恒电位计时电量法进行电化学沉积，待沉积完毕，取出铜铟硒预制膜，用去离子水冲洗后吹干；

步骤4：硒化处理

将步骤3所得铜铟硒预制膜置于双温区管式电阻炉中，采用氩气作为保护气氛，保证石英管内相对外部为负压为-0.06MPa；衬底温度为350～450℃，硒粉所在温区为175～225℃，热处理30～60min，获得铜铟硒对电极薄膜；

步骤1中，所述沉积衬底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或表面溅射钼的钠钙玻璃；

步骤2中，电镀液中各组分的摩尔浓度分别为柠檬酸0.3～0.5M，硫酸铜0.006～

0.008M，硫酸铟0.006～0.008M，二氧化硒0.01～0.012M；

步骤3中，在沉积之前，将氩气经玻璃管对电镀液鼓泡10min，以排除溶液中的氧气；沉积电位设为-1.0V至-1.2V，沉积时间为10～60min，沉积温度为25℃。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤4中，升温与降温速率均为10℃/min。

说明书

一种量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法，属于太阳能电池薄膜技术领域。

背景技术

[0002] 日趋严峻的能源紧缺、环境污染等问题，促使人们探索开发替代性新型能源，比如太阳能。作为一种可将太阳能直接转换为电能的器件装置，太阳能电池展现出巨大的应用前景。因此，开发高效、稳定、低成本的太阳能电池器件成为领域内的研究热点。量子点太阳能电池是一种新型第三代太阳能电池；其采用量子点作为光吸收材料，使其理论光电转换效率高达44％。量子点具有光吸收系数高、光谱响应范围可调、多激子产生效应且可通过简单溶液法制备等优势，是一种很有应用前景的光电功能材料(Ru Zhou,et al.,Nano Energy 2016,30, 559–569；J.Du et al.,J.Am.Chem.Soc.2016,138,4201–4209)。因此，近年来，量子点太阳能电池发展迅速，光电转换性能不断突破攀升。

[0003] 敏化型量子点太阳能电池器件结构主要包括光阳极、电解质和对电极。其中，要求对电极具有良好的催化活性。然而，常用的金属硫化物对电极，如Cu2S、CoS、PbS等，尽管对多硫电解质的还原活性很高，但长期使用会污染电解质和光阳极。因此，关注探索用于量子点敏化太阳能电池的新型对电极，同时对其制备工艺进行优化，改善其电化学性能及其在电解质中的稳定性，对制备高催化活性的对电极、提高光伏器件性能具有重要意义。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种用于量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法。本方法能够提高对电极催化活性及其在电解质中的稳定性，最终提高光伏器件的光电转换效率。本发明采用电化学沉积结合硒化处理的方法，具有成本低、操作简单、易工业生产等优点。

[0005] 本发明用于量子点敏化太阳能电池的铜铟硒对电极的制备方法，是通过电化学沉积结合硒化处理的方法制备，包括如下步骤：

[0006] 步骤1：预处理

[0007] 将导电衬底切割至所需尺寸，分别置于去污液、丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗 10～30min，随后置于紫外线臭氧清洗机处理20min，保存备用；

[0008] 步骤2：电镀液的配制

[0009] 将一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)、五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)、硫酸铟(In2(SO4)3)、二氧化硒(SeO2)与超纯水混合，搅拌至完全溶解获得电镀液；电镀液中各组分的摩尔浓度分别为柠檬酸0.3～0.5M，硫酸铜0.006～0.008M，硫酸铟0.006～0.008M，二氧化硒0.01～0.012M；

[0010] 步骤3：电化学沉积

[0011] 将步骤2配制的电镀液加入电解槽中，以预处理后的导电衬底作为工作电极、以硫酸亚汞电极作为参比电极、以抛光不锈钢片作为对电极，构成三电极系统；采用恒电位计时电量法进行电化学沉积，待沉积完毕，取出铜铟硒预制膜，用去离子水冲洗后吹干；在沉积之前，将氩气经玻璃管对电镀液鼓泡10min，以排除溶液中的氧气；沉积电位设为-1.0V至-1.2V，沉积时间为10～60min，沉积温度为25℃。在沉积过程中，保证导电衬底的导电面与抛光不锈钢片水平相对。

[0012] 步骤4：硒化处理

[0013] 将步骤3所得铜铟硒预制膜置于双温区管式电阻炉中，采用氩气作为保护气氛，保证石英管内相对外部为负压为-0.06MPa；衬底温度为350～450℃，硒粉所在温区为175～225℃，热处理30～60min，获得铜铟硒对电极薄膜。

[0014] 步骤1中，所述沉积衬底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、表面溅射钼的钠钙玻璃等。

[0015] 步骤4中，升温与降温速率均为10℃/min。

[0016] 与已有技术相比，本发明的有效效果体现在：

[0017] 本发明制备所得铜铟硒薄膜表面平整、物相纯净、催化活性良好，非常适合用于敏化太阳能电池对电极；本发明制备方法成本低、工艺简单、反应条件温和，具有广阔的研究价值和应用前景。

附图说明

[0018] 图1是本发明制得的铜铟硒薄膜的X射线衍射(XRD)图谱。由图1可以看出，制备所得铜铟硒薄膜物相纯净。

[0019] 图2是本发明制得的铜铟硒薄膜表面的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图2可以看出，制备所得铜铟硒薄膜表面均匀平整。

[0020] 图3是以实施例1制备的铜铟硒薄膜用作量子点共敏化太阳能电池对电极，与CdS/CdSe 量子点、多硫电解质结合组装成电池，测试所得器件的光伏特性曲线。从图3中可以看出，光电转换效率为2.52％，短路电流Jsc为14.7mA/cm2，开路电压Voc为0.55V，填充因子FF 为34％。

[0021] 图4是以实施例2制备的铜铟硒薄膜用作量子点共敏化太阳能电池对电极，与CdS/CdSe 量子点、多硫电解质结合组装成电池，测试所得器件的光伏特性曲线。从图4中可以看出，光电转换效率为1.16％，短路电流Jsc为9.2mA/cm2，开路电压Voc为0.47V，填充因子FF 为27％。

具体实施方式

[0022] 下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作详细描述。显然，所描述的实施例仅为本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0023] 实施例1：

[0024] 1、预处理

[0025] 将FTO导电衬底切割成4cm*2cm大小，分别置于去污液、丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，随后置于紫外线臭氧清洗机处理20min，保存备用；

[0026] 2、电镀液的配制

[0027] 将一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)、五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)、硫酸铟(In2(SO4)3)、二氧化硒(SeO2)与超纯水混合，利用磁力搅拌器将混合溶液搅拌60min至完全溶解获得电镀液；电镀液中各组分的摩尔浓度分别为柠檬酸0.4M，硫酸铜0.006M，硫酸铟0.006M，二氧化硒 0.01M。

[0028] 3、电化学沉积

[0029] 将步骤2配制的电镀液加入电解槽中，以预处理后的导电衬底作为工作电极、以硫酸亚汞电极作为参比电极、以抛光不锈钢片作为对电极，构成三电极系统；采用恒电位计时电量法进行电化学沉积，待沉积完毕，取出铜铟硒预制膜，用去离子水冲洗后吹干；在沉积之前，将氩气经玻璃管对电镀液鼓泡10min，以排除溶液中的氧气；沉积电位设为-1.1V，沉积时间为20min，沉积温度为25℃。在沉积过程中，保证导电衬底的导电面与抛光不锈钢片水平相对。

[0030] 4、硒化处理

[0031] 将步骤3所得铜铟硒预制膜置于双温区管式电阻炉中，采用氩气作为保护气氛，保证石英管内相对外部为负压为-0.06MPa；衬底温度为400℃，硒粉所在温区为200℃，热处理30min，升温与降温速率均为10℃/min，获得铜铟硒对电极薄膜。

[0032] 将本实施例制备的铜铟硒薄膜用作量子点共敏化太阳能电池对电极，与CdS/CdSe量子点、多硫电解质结合组装成电池，测试器件光电转换性能，光伏特性曲线见图3。

[0033] 实施例2：

[0034] 1、预处理

[0035] 将溅射钼的钠钙玻璃衬底切割成4cm*2cm大小，分别置于去污液、丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，随后置于紫外线臭氧清洗机处理20min，保存备用；

[0036] 2、电镀液的配制

[0037] 将一水合柠檬酸(C6H8O7·H2O)、五水合硫酸铜(CuSO4·5H2O)、硫酸铟(In2(SO4)3)、二氧化硒(SeO2)与超纯水混合，利用磁力搅拌器将混合溶液搅拌60min至完全溶解获得电镀液；电镀液中各组分的摩尔浓度分别为柠檬酸0.4M，硫酸铜0.006M，硫酸铟0.006M，二氧化硒 0.01M。

[0038] 3、电化学沉积

[0039] 将步骤2配制的电镀液加入电解槽中，以预处理后的导电衬底作为工作电极、以硫酸亚汞电极作为参比电极、以抛光不锈钢片作为对电极，构成三电极系统；采用恒电位计时电量法进行电化学沉积，待沉积完毕，取出铜铟硒预制膜，用去离子水冲洗后吹干；在沉积之前，将氩气经玻璃管对电镀液鼓泡10min，以排除溶液中的氧气；沉积电位设为-1.1V，沉积时间为40min，沉积温度为25℃。在沉积过程中，保证导电衬底的导电面与抛光不锈钢片水平相对。

[0040] 4、硒化处理

[0041] 将步骤3所得铜铟硒预制膜置于双温区管式电阻炉中，采用氩气作为保护气氛，保证石英管内相对外部为负压为-0.06MPa；衬底温度为400℃，硒粉所在温区为200℃，热处理30min，升温与降温速率均为10℃/min，获得铜铟硒对电极薄膜。

[0042] 将本实施例制备的铜铟硒薄膜用作量子点共敏化太阳能电池对电极，与CdS/CdSe量子点、多硫电解质结合组装成电池，测试器件光电转换性能，光伏特性曲线见图4。