專利名稱：含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)染料敏化電池，具體地說是半導(dǎo)體量子點(diǎn) 染料敏化電池的制備。
背景技術(shù)：
目前,在納米太陽電池的研究領(lǐng)域中，選擇合適的敏化劑已成為納米太陽 電池的研究重點(diǎn)。在染料敏化二氧化鈦太陽電池中，很多染料在近紅外區(qū)的 吸收很弱，其吸收光譜不能和太陽光譜很好地配合，且選擇和制備比較困難， 再加上現(xiàn)在公認(rèn)使用效果最好的聯(lián)吡啶釕的制備過程比較復(fù)雜，而釕本身又 是稀有金屬，因而價格比較昂貴，來源也比較困難。為提高納米光電化學(xué)電池 的光電轉(zhuǎn)換率,選擇不同的敏化劑對電池進(jìn)行敏化成了刻不容緩的問題。其中，我們注意到量子點(diǎn)具有在紫外和可見光區(qū)的強(qiáng)吸收性，易于制備 種種優(yōu)點(diǎn)，及其吸收譜可隨種類不同、粒徑不同產(chǎn)生位移等特殊的性質(zhì)。窄 禁帶半導(dǎo)體納米晶在作為敏化太陽電池的光敏劑方面有重要的意義，同時量 子限制效應(yīng)導(dǎo)致電子的不連續(xù)的能級結(jié)構(gòu)和禁帶寬度增加。半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)吸收系數(shù)大量子限域效應(yīng)使能隙(Eg)隨粒徑變小而增大，所以量 子點(diǎn)結(jié)構(gòu)材料可吸收寬光譜的太陽光。量子點(diǎn)尺度更小時，處于強(qiáng)限域區(qū)易 形成激子，產(chǎn)生激子吸收帶，隨著粒徑的減小，吸收系數(shù)增加。(2) 帶間躍遷，形成子帶其光譜是由于帶間躍遷的一系列線譜組成。 帶間躍遷可以使得入射光子能量小于主帶隙的光子轉(zhuǎn)化為載流子的動能?？?以有多個帶隙起作用，產(chǎn)生電子一空穴對。(3) 量子隧道效應(yīng)與載流子的輸運(yùn)光伏現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是材料的內(nèi)光電轉(zhuǎn) 換特性，與電子的輸運(yùn)特性有密切關(guān)系。電子在納米尺度量子點(diǎn)空間中運(yùn)動，當(dāng)有序量子點(diǎn)陣列內(nèi)的量子點(diǎn)尺寸與密度可控時，量子隧道效應(yīng)更顯現(xiàn)，利 于載流子輸運(yùn)。使用量子點(diǎn)后， 一方面可以部分替代含有稀有金屬釕的染料，另外還可 以更廣泛的吸收太陽光譜能量。但如何來利用窄禁帶半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)染 料共同修飾多孔二氧化鈦電極，這是我們必須要面對的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方 法，它能夠控制敏化電池的光電轉(zhuǎn)化過程，形成可以吸收更大光譜范圍的染 料敏化電池。采用量子點(diǎn)和染料復(fù)合敏化，可以防止二氧化鈦導(dǎo)帶上由光注 入產(chǎn)生電子的反向轉(zhuǎn)移，避免收集電子的損失。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為 一種含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化 電池的制備方法，包括以下步驟1) 通過磁控濺射的方法，在一導(dǎo)電玻璃上濺射一二氧化鈦層，并將該 二氧化鈦層制成多孔狀；2) 將導(dǎo)電玻璃放在含有巰基和羧酸基團(tuán)的有機(jī)物中進(jìn)行浸泡，然后加入一組半導(dǎo)體量子點(diǎn)到多孔二氧化鈦層的孔洞中；3) 加入一染料和電解質(zhì)以及一對電極，形成含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料 敏化電池。所述步驟2)用以下步驟代替先將一組半導(dǎo)體量子點(diǎn)用巰基和羧酸基 團(tuán)的有機(jī)物進(jìn)行修飾，再將含有多孔二氧化鈦層的導(dǎo)電玻璃浸入半導(dǎo)體量子 點(diǎn)溶液中，將半導(dǎo)體量子點(diǎn)組裝進(jìn)入多孔二氧化鈦層的孔洞中。所述步驟1)中，通過絲網(wǎng)印刷或溶膠凝膠的方法將二氧化鈦層制成多 孔的二氧化鈦層。所述步驟2)中，巰基和羧酸基團(tuán)的有機(jī)物為巰基乙酸。所述步驟2)中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)通過高溫?zé)峤夥ㄖ苽?，取不同反?yīng)時間的產(chǎn)物，經(jīng)過洗滌，粒子粒徑篩選，把相同粒徑的半導(dǎo)體量子溶解于甲笨溶液中。所述步驟2)中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)為硒化鎘，硒化鋅，碲化鎘，硫化鉛，硫化鎘其中任意一種或多種的組合。所述步驟3)中，染料的型號為N3或N719。所述步驟3)中，電解質(zhì)為I713—。所述步驟1)中二氧化鈦層的厚度為1-20um。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn) 和積極效果通過改變其量子點(diǎn)的種類，粒徑，形貌等，可以很容易的改變 其吸收譜的峰位，從而能夠吸收幾乎全部太陽光，并具有較高的光電轉(zhuǎn)換效 率，且在太陽電池工作溫度范圍非常穩(wěn)定。采用量子點(diǎn)部分代替含有稀有金屬的燃料，能有效降低成本，制備方法 簡單。


圖1是本發(fā)明的不同粒徑硒化鎘量子點(diǎn)熒光圖。 圖2是本發(fā)明的硒化鎘量子點(diǎn)染料敏化電池示意圖。 圖3是本發(fā)明的不同量子點(diǎn)染料敏化電池示意圖。 圖中，1玻璃，2導(dǎo)電層，3多孔二氧化鈦層，4電解質(zhì)(17 13—)， 5 對電極，6碲化鎘，7硒化鎘，8碲化鋅。
具體實(shí)施方式
在太陽電池裝置中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為敏化劑的優(yōu)點(diǎn):通過控制量子點(diǎn)的 尺寸可以調(diào)節(jié)它們的能級結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式 入=2. 14/Eg如圖1所示，其中A為紅色，B為黃色，C為綠色，D為藍(lán)色。當(dāng)粒子的 粒徑變小時候，能帶產(chǎn)生分裂，導(dǎo)致禁帶寬度Eg的增大，禁帶寬度的改變， 將會使得其吸收譜線入發(fā)生對應(yīng)變化，從而可以改變它們的發(fā)射光譜的位置， 產(chǎn)生不同的熒光，亦即隨著量子點(diǎn)粒徑的增大，其熒光從藍(lán)色D直至變到紅 色A。換句話說，可以根據(jù)不同粒徑的量子點(diǎn)去吸收相匹配的太陽光線能量。 再加上使用不同的類型量子點(diǎn)，可以更好的匹配太陽光譜，達(dá)到寬范圍吸收 太陽光的目的。如圖2， 3所示，本發(fā)明的制備步驟如下1) 通過磁控濺射的方法，在導(dǎo)電玻璃(Sn02: F，玻璃1和導(dǎo)電層2的 組合，簡稱FT0)濺射一層薄的二氧化鈦層，起到阻止電解質(zhì)4與導(dǎo)電基底 直接接觸引起電池短路的問題。通過絲網(wǎng)印刷或溶膠凝膠方法等技術(shù)手段得 到具有多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層3，其厚度為l-20um。2) 將導(dǎo)電玻璃(FTO)在含有巰基和羧酸基團(tuán)有機(jī)物中，如巰基乙酸中 進(jìn)行浸泡，再加入半導(dǎo)體量子點(diǎn)如硒化鎘，硒化鋅，碲化鎘，硫化鉛，硫化 鎘等。圖2所示的是吸附有染料和同一種量子點(diǎn)多孔二氧化鈦層3，圖3所 示的是吸附有染料和不同量子點(diǎn)多孔二氧化鈦層3，其中包括碲化鎘6，硒化 鎘7,碲化鋅8。由于巰基的絡(luò)合作用，可以絡(luò)合含有鎘離子、鋅離子、鉛離 子等重金屬元素的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，進(jìn)而組裝到多孔二氧化鈦層3的孔道中。 上述高質(zhì)量的量子點(diǎn)通過高溫?zé)峤夥ㄖ苽?。也可先將各類量子點(diǎn)用巰基乙酸進(jìn)行修飾，再將含有多孔二氧化鈦層3 的導(dǎo)電玻璃(FTO)浸入量子點(diǎn)溶液中，將量子點(diǎn)組裝進(jìn)入二氧化鈦層3的孔 道。3) 加入染料如N3， N719等，(17 13—)電解質(zhì)4，以及鍍鉑對電極5， 形成含有量子點(diǎn)的敏化電池。實(shí)施例l在導(dǎo)電玻璃(FTO)上用磁控濺射法先濺射一薄層二氧化鈦，通過溶膠凝 膠技術(shù)手段在其上用旋轉(zhuǎn)涂敷(Spin-Coating)的方法得到具有多孔結(jié)構(gòu)的 二氧化鈦層，所得薄層厚度為1-20wm。在含有巰基和羧酸基團(tuán)的巰基乙酸 溶液中進(jìn)行浸泡，羧酸根可以吸附于二氧化鈦表面。用高溫?zé)峤夥ㄖ苽湮?鎘半導(dǎo)體量子點(diǎn)，經(jīng)過洗滌和離心分離后，把硒化鎘半導(dǎo)體量子點(diǎn)溶解于甲 苯中。含有多孔二氧化鈦薄層的導(dǎo)電玻璃浸入量子點(diǎn)溶液，由于巰基的絡(luò)合 金屬離子的功能，可以絡(luò)合硒化鎘量子點(diǎn)，進(jìn)而將硒化鎘量子點(diǎn)組裝到多孔 二氧化鈦薄層的孔洞中，加入染料(N3)和電解質(zhì)(1713—)，形成含有量子 點(diǎn)的染料敏化電池(見圖2)。 實(shí)施例2在導(dǎo)電玻璃(FT0)上用磁控濺射法先濺射一薄層二氧化鈦，通過溶膠凝 膠技術(shù)手段在其上得到具有多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層，薄層厚度為1-20"m。用高溫?zé)峤夥ㄖ苽漤诨k，硒化鎘，碲化鋅量子點(diǎn)，經(jīng)過洗滌，粒子粒 徑篩選后，將相同粒徑的不同量子點(diǎn)溶解于甲苯溶液中，加入巰基乙酸對量 子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾和絡(luò)合。將含有多孔二氧化鈦層的導(dǎo)電玻璃浸入上述制得的含有硒化鋅量子點(diǎn)溶 液中浸泡。接著，按次序?qū)⑵浞湃牒形k量子點(diǎn)和碲化鎘量子點(diǎn)溶液中 浸泡。羧基可以吸附于二氧化鈦表面。從而將硒化鋅，硒化鎘，碲化鎘量子 點(diǎn)分別組裝到多孔二氧化鈦薄層的孔洞中，由于硒化鋅，硒化鎘，碲化鎘的 禁帶寬度不同，因此可以吸收不同范圍的太陽光譜。加入染料(N3)和電解 質(zhì)(1713-)，形成含有不同量子點(diǎn)，不同吸收太陽光源的的染料敏化電池(見 圖3)。 實(shí)施例3在導(dǎo)電玻璃(FT0)上用磁控濺射法先濺射一薄層二氧化鈦薄層，通過溶 膠凝膠技術(shù)在其上得到具有多孔結(jié)構(gòu)的二氧化鈦層，薄層厚度為1-20 um。用高溫?zé)峤夥ㄖ苽湮k量子點(diǎn)，取不同反應(yīng)時間的產(chǎn)物。經(jīng)過洗滌后， 溶解于甲苯溶液中(見圖l)，加入巰基乙酸對量子點(diǎn)表面進(jìn)行修飾和絡(luò)合。將含有多孔二氧化鈦層的導(dǎo)電玻璃浸入上述制得的含有發(fā)藍(lán)光波長的硒 化鎘鋅量子點(diǎn)溶液中浸泡。接著，按次序?qū)⑵浞湃氚l(fā)黃色熒光和紅色熒光硒 化鎘量子溶液中浸泡。羧基可以吸附于二氧化鈦表面。從而將不同粒徑的硒 化鎘量子點(diǎn)組裝到多孔二氧化鈦薄層的孔洞中，加入染料(N3)和電解質(zhì) (1713—)，形成含有不同量子點(diǎn)，不同吸收太陽光源的的染料敏化電池。
權(quán)利要求
1、一種含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)通過磁控濺射的方法，在一導(dǎo)電玻璃上濺射一二氧化鈦層，并將該二氧化鈦層制成多孔狀；2)將導(dǎo)電玻璃放在含有巰基和羧酸基團(tuán)的有機(jī)物中進(jìn)行浸泡，然后加入一組半導(dǎo)體量子點(diǎn)到多孔二氧化鈦層(3)的孔洞中；3)加入一染料和電解質(zhì)(4)以及一對電極(5)，形成含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池。
2、 如權(quán)利要求1所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法， 其特征在于所述步驟2)用以下步驟代替先將一組半導(dǎo)體量子點(diǎn)用巰基 和羧酸基團(tuán)的有機(jī)物進(jìn)行修飾，再將含有多孔二氧化鈦層(3)的導(dǎo)電玻璃浸入 半導(dǎo)體量子點(diǎn)溶液中，將半導(dǎo)體量子點(diǎn)組裝進(jìn)入多孔二氧化鈦層(3)的孔洞 中。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方 法，其特征在于所述步驟1)中，通過絲網(wǎng)印刷或溶膠凝膠的方法將二氧 化鈦層制成多孔的二氧化鈦層(3)。
4、 如權(quán)利要求3所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法， 其特征在于所述步驟2)中，巰基和羧酸基團(tuán)的有機(jī)物為巰基乙酸。
5、 如權(quán)利要求4所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法，其特征在于所述步驟2)中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)通過高溫?zé)峤夥ㄖ苽?，取不同反?yīng)時間的產(chǎn)物，經(jīng)過洗滌，粒子粒徑篩選，把相同粒徑的半導(dǎo)體量子溶解 于甲笨溶液中。
6、 如權(quán)利要求5所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法，其特征在于所述步驟2)中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)為硒化鎘，硒化鋅，碲化鎘，硫化鉛，硫化鎘其中任意一種或多種的組合。
7、 如權(quán)利要求6所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法， 其特征在于所述步驟3)中，染料的型號為N3或N719。
8、 如權(quán)利要求7所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法， 其特征在于所述步驟3)中，電解質(zhì)為I713—。
9、 如權(quán)利要求7所述的含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法， 其特征在于所述步驟l)中二氧化鈦層的厚度為1-20ym。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池的制備方法，包括以下步驟通過磁控濺射的方法，在一導(dǎo)電玻璃上濺射一二氧化鈦層，并將該二氧化鈦層制成多孔狀；將導(dǎo)電玻璃放在含有巰基和羧酸基團(tuán)的有機(jī)物中進(jìn)行浸泡，然后加入一組半導(dǎo)體量子點(diǎn)到多孔二氧化鈦層的孔洞中；加入一染料和電解質(zhì)以及一對電極，形成含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)的染料敏化電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)通過改變其量子點(diǎn)的種類，粒徑，形貌等，容易改變其吸收譜的峰位，能夠吸收幾乎全部太陽光，并具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，且在太陽電池工作溫度范圍非常穩(wěn)定。采用量子點(diǎn)部分代替含有稀有金屬的燃料，能有效降低成本，制備方法簡單。
文檔編號H01M14/00GK101404215SQ20081004266
公開日2009年4月8日 申請日期2008年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月9日
發(fā)明者劉古巖, 健 包, 芃 夏, 施松林 申請人:上海拓引數(shù)碼技術(shù)有限公司