錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化太陽能電池及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于太陽能電池的Mn摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法，該方法是將Mn雜質(zhì)原子摻雜到CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)中作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。通過摻雜在CdS量子點(diǎn)的禁帶間引入中間能級(jí)而增加了光響應(yīng)，優(yōu)化了電池內(nèi)部電子空穴的傳輸路徑，從而使得電子空穴可以更加快速的分離，而使得電子更有效的注入到TiO2的導(dǎo)帶中，提高了太陽能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。此方法簡單，易于操作，成本低，可大面積制作。
【專利說明】錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化太陽能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種用于太陽能電池的摻雜量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人口的持續(xù)增長以及人類對(duì)能源的依賴性逐漸加深，能源危機(jī)和環(huán)境污染問題已成為21世紀(jì)人類面臨的首要問題。面對(duì)全球石化能源日益枯竭，取之不盡用之不竭的太陽能無疑是人類未來能源發(fā)展的首選。因此，以太陽能作為新能源供應(yīng)來源最受注目，從技術(shù)發(fā)展過程或未來前瞻性都受到各界密切的關(guān)注。通過光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置就是太陽能電池。在各類新型太陽能電池中，染料敏化太陽能電池(DSSCs)以低成本、制作工藝簡單、相對(duì)較高的光電轉(zhuǎn)換效率而成為研究熱點(diǎn)(O，Regan, B.，Gratzel5M.，Nature, 1991，353，737)。DSSCs 是將吸附了染料的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜作為正極，表面鍍有一層鉬的導(dǎo)電玻璃作為對(duì)電極，正極和對(duì)電極之間加入氧化-還原電解質(zhì)形成的。染料分子吸收太陽光能，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)上面的電子快速注入緊鄰的TiO2導(dǎo)帶，染料中失去的電子很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外電路到對(duì)電極產(chǎn)生光電流。然而，染料的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步的提高，而且價(jià)格也相對(duì)較高，所以采用價(jià)格便宜的窄禁帶無機(jī)半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為敏化劑，可以降低電池的成本，提高穩(wěn)定性，這種電池稱為量子點(diǎn)敏化太陽能電池(QDSSCs)。一般染料吸收一個(gè)光子最多產(chǎn)生一個(gè)電子，量子點(diǎn)可以由一個(gè)高能光子產(chǎn)生多個(gè)電子，大大提高量子產(chǎn)率(Nozik, A.J., PhysicaE, 2002,14,115) ο
[0003]但是目前利用量子點(diǎn)敏化的太陽能電池QDSSCs，其總體表現(xiàn)還低于DSSCs。為了提高QDSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率，廣泛開展了對(duì)QDSSCs的改性工作，其中對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行摻雜也是一種常用的有效方法，CN 102163502A公開了一種在CdS量子點(diǎn)中摻雜了 Ca雜質(zhì)離子的方法，提高了 CdS的導(dǎo)帶，改善了 CdS量子點(diǎn)在電極材料表面的吸附狀況，抑制了暗電流的產(chǎn)生，提高了太陽能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。另外，(Pralay K.Santra, J.Am.Chem.Soc.2012，134，2508-2511)通過SILAR方法將Mn2+摻入到CdS量子點(diǎn)中，使得電子能夠更加有效地注入到TiO2中，提高了太陽能電池的短路電流、開路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。在這篇文章中，錳的摻雜濃度為75%，量子點(diǎn)敏化劑為CdS/ZnS。本專利的摻雜濃度最優(yōu)值為10%，量子點(diǎn)敏化劑為CdS。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種用于太陽能電池的Mn摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法，以此改性CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)的光電特性，在CdS的禁帶間引入中間能級(jí)增加光響應(yīng)，使得電子能夠更加有效地注入到TiO2中，減少了電池內(nèi)部的復(fù)合中心，降低了暗電流，使得電子空穴可以更加快速有效地分離，進(jìn)而提高了太陽能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)施的:
錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化太陽能電池及其制備方法，該方法是將Mn2+摻雜到CdS量子點(diǎn)中作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
[0006]所述方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.01M-1M含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ；
2)將含有Mn雜質(zhì)原子的可溶性鹽溶液加入步驟I)配備的陽離子溶液當(dāng)中，其中雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體量子點(diǎn)原子個(gè)數(shù)之比為1: 2-1: 100；
3)配備濃度為0.01M-1M含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陰離子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ；
4)將待敏化的寬禁帶半導(dǎo)體光陽極材料浸入步驟2)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟3)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?，則在光陽極材料上形成Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:在此以Mn、Cd原子個(gè)數(shù)比為1: 10的Mn離子摻雜到CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)為例來說明。將Mn離子摻雜到CdS量子點(diǎn)中作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池，通過摻雜在CdS量子點(diǎn)的禁帶間引入中間能級(jí)而增加了光響應(yīng)，優(yōu)化電池內(nèi)部電子空穴的傳輸路徑，從而使得電子空穴可以更加快速的分離，而使得電子更有效的注入到Ti02的導(dǎo)帶中，提高了太陽能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。在lOOmW/cm2的光強(qiáng)條件下，該太陽能電池的短路電流密度為7.90mA/cm2，光電轉(zhuǎn)換效率為1.51%，分別比未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率提高了 25%和56%。
[0008]本發(fā)明將通過下面實(shí)例來進(jìn)行舉例說明，但是，本發(fā)明并不限于這里所描述的實(shí)施方案，本發(fā)明的實(shí)施例僅用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容所進(jìn)行的替代、改動(dòng)或變更，這些等價(jià)形式同樣落入本申請(qǐng)所限定的范圍內(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為摻雜了 Mn離子的CdS量子點(diǎn)與未摻雜的CdS量子點(diǎn)的紫外可見吸收光譜圖；其中，A曲線對(duì)應(yīng)于未摻雜的CdS量子點(diǎn)的紫外可見吸收光譜，B曲線對(duì)應(yīng)于Mn摻雜的CdS量子點(diǎn)的紫外可見吸收光譜；
圖2為Mn摻雜CdS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的J-V曲線；其中，C對(duì)應(yīng)于未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池，D對(duì)應(yīng)于Mn摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池；圖3為Mn摻雜CdS量子點(diǎn)與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的性能參數(shù)。
圖4為Mn摻雜CdS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率曲線；其中，E對(duì)應(yīng)于未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池，F(xiàn)對(duì)應(yīng)于Mn摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池；
圖5為Mn摻雜CdS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池的電化學(xué)交流阻抗譜；其中，G對(duì)應(yīng)于未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池，H對(duì)應(yīng)于Mn摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽能電池，插圖為電化學(xué)交流阻抗譜的等效電路?！揪唧w實(shí)施方式】
[0010]錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化太陽能電池及其制備方法，該方法是將Mn2+摻雜到CdS量子點(diǎn)中作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
[0011]實(shí)施例1
錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.1M的Cd(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)將醋酸錳(C4H4MnO4)加入步驟I)配備的Cd(NO3)2溶液當(dāng)中，其中Mn2+與Cd2+的原子個(gè)數(shù)比為1:5;
3)將步驟2)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
4)將待敏化的光陽極材料TiO2浸入步驟3)制備的溶液中5min，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟I)制備的Na2S溶液中5min，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?，則在光陽極材料上形成了 Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
[0012]實(shí)施例2
錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.1M的Cd(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)將C4H4MnO4加入步驟I)配備的Cd(NO3)2溶液當(dāng)中，其中Mn2+與Cd2+的原子個(gè)數(shù)比為 1: 10 ;
3)將步驟2)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
4)將待敏化的光陽極材料TiO2浸入步驟3)制備的溶液中5min，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟I)制備的Na2S溶液中5min，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?，則在光陽極材料上形成了 Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
[0013]實(shí)施例3
錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.1M的Cd(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)將C4H4MnO4加入步驟I)配備的Cd(NO3)2溶液當(dāng)中，其中Mn2+與Cd2+的原子個(gè)數(shù)比為 1: 100 ;
3)將步驟2)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
4)將待敏化的光陽極材料TiO2浸入步驟3)制備的溶液中5min，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑?br> 5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟I)制備的Na2S溶液中5min，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?，則在光陽極材料上形成了 Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層。
【權(quán)利要求】
1.一種用于太陽能電池的錳摻雜量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于:所述方法是將雜質(zhì)原子摻雜到半導(dǎo)體量子點(diǎn)中，作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錳摻雜量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述的半導(dǎo)體量子點(diǎn)為CdS。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錳摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述的摻雜方法為連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)(Successive ionic layer adsorption and reaction, SILAR)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述的雜質(zhì)原子為Mn。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述的Mn雜質(zhì)原子摻入CdS量子點(diǎn)形成Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)敏化太陽能電池，其特征在于所述的Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜量子點(diǎn)敏化劑及組裝成的太陽能電池，其特征在于所述方法的具體步驟為: 1)配備濃度為0.0lM-1M含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ； 2)將含有Mn雜質(zhì)原子的可溶性鹽溶液加入步驟I)配備的陽離子溶液當(dāng)中，其中雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體量子點(diǎn)原子個(gè)數(shù)之比為1: 2-1: 100； 3)配備濃度為0.01M-1M含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陰離子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ； 4)將待敏化的寬禁帶半導(dǎo)體光陽極材料浸入步驟2)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈桑? 5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟3)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用氮?dú)獯蹈?，則在光陽極材料上形成Mn摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK103854871SQ201210520489
【公開日】2014年6月11日 申請(qǐng)日期:2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月29日
【發(fā)明者】鄒小平, 周洪全, 黃宗波, 滕功清 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)