銅摻雜硫化鎘量子點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Cu摻雜CdS量子點敏化劑及其制備方法，該方法是將Cu雜質原子摻雜到CdS半導體量子點中作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。通過優(yōu)化電池內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的導帶中，降低了暗電流，提高了太陽能電池的短路電流、開路電壓以及光電轉換效率。此方法簡單，易于操作，成本低，可大面積制作。
【專利說明】銅摻雜硫化鎘量子點敏化太陽能電池及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽能【技術領域】，更具體涉及一種用于太陽能電池的摻雜量子點敏化劑及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人口的持續(xù)增長以及人類對能源的依賴性逐漸加深，能源危機和環(huán)境污染問題已成為21世紀人類面臨的首要問題。面對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來源最受注目，從技術發(fā)展過程或未來前瞻性都受到各界密切的關注。通過光電效應直接把光能轉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、相對較高的光電轉換效率而成為研究熱點(O，Regan, B.，Gratzel, Μ.，Nature, 1991，353，737)。DSSCs 是將吸附了染料的寬禁帶半導體納米晶薄膜作為正極，表面鍍有一層鉬的導電玻璃作為對電極，正極和對電極之間加入氧化-還原電解質形成的。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導帶，染料中失去的電子很快從電解質中得到補償，進入TiO2導帶中的電子最終進入導電膜，然后通過外電路到對電極產生光電流。然而，染料的穩(wěn)定性還有待進一步的提高，而且價格也相對較高，所以采用價格便宜的窄禁帶無機半導體量子點作為敏化劑，可以降低電池的成本，提高穩(wěn)定性，這種電池稱為量子點敏化太陽能電池(QDSSCs)。一般染料吸收一個光子最多產生一個電子，量子點可以由一個高能光子產生多個電子，大大提高量子產率(Nozik, A.J., PhysicaE, 2002,14,115) ο
[0003]但是目前利用量子點敏化的太陽能電池QDSSCs，其總體表現(xiàn)還低于DSSCs。為了提高QDSSCs的光電轉換效率，廣泛開展了對QDSSCs的改性工作，其中對量子點進行摻雜也是一種常用的有效方法，CN 102163502A公開了一種在CdS量子點中摻雜了 Ca雜質離子的方法，提高了 CdS的導帶，改善了 CdS量子點在電極材料表面的吸附狀況，抑制了暗電流的產生，提高了太陽能電池的短路電流和光電轉換效率。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、開路電壓和光電轉換效率。但是，目前通過SILAR方法對CdS量子點摻雜Cu作為敏化劑來提高太陽能電池的性能參數(shù)的工作還未見報道。

【發(fā)明內容】

[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Cu摻雜CdS量子點敏化劑及其制備方法，以此改性CdS半導體量子點的光電特性，使得電子能夠更加有效地注入到TiO2中，減少了電池內部的復合中心，降低了暗電流，使得電子空穴可以更加快速有效地分離，進而提高了太陽能電池的短路電流、開路電壓以及光電轉換效率。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案實施的: 銅摻雜硫化鎘量子點敏化太陽能電池及其制備方法，該方法是將Cu2+摻雜到CdS量子點中作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
[0006]所述方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.01M-1M含有半導體量子點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Cu雜質原子的可溶性鹽溶液加入步驟I)配備的陽離子溶液當中，其中雜質原子與半導體量子點原子個數(shù)之比為1: 1-1: 1000；
3)配備濃度為0.01M-1M含有半導體量子點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體光陽極材料浸入步驟2)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干；
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜的CdS半導體量子點敏化劑層；
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點在于:在此以Cu、CdS原子個數(shù)比為1: 500的Cu離子摻雜到CdS半導體量子點為例來說明。將Cu離子摻雜到CdS量子點中作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池，通過優(yōu)化電池內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的導帶中，降低了暗電流，提高了太陽能電池的短路電流、開路電壓以及光電轉換效率。在lOOmW/cm2的光強條件下，該太陽能電池的短路電流密度為7.72mA/cm2,開路電壓為551mV，光電轉換效率為1.26%，比未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池的短路電流密度提高了 22 %，開路電壓提高了 6 %，光電轉換效率提高了 30 %。
[0008]本發(fā)明將通過下面實例來進行舉例說明，但是，本發(fā)明并不限于這里所描述的實施方案，本發(fā)明的實施例僅用于進一步闡述本發(fā)明。對于本領域的技術人員對本發(fā)明的內容所進行的替代、改動或變更，這些等價形式同樣落入本申請所限定的范圍內。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為摻雜了 Cu離子的CdS量子點與未摻雜的CdS量子點的紫外可見吸收光譜圖；其中，A曲線對應于未摻雜的CdS量子點的紫外可見吸收光譜，B曲線對應于Cu摻雜的CdS量子點的紫外可見吸收光譜；
圖2為Cu摻雜CdS與未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池的J-V曲線；其中，C對應于未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池，D對應于Cu摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池；圖3為Cu摻雜CdS量子點與未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池的性能參數(shù)。
圖4為Cu摻雜CdS與未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池的光電轉化效率曲線；其中，E對應于未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池，F(xiàn)對應于Cu摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池；
圖5為Cu摻雜CdS與未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池的電化學交流阻抗譜；其中，G對應于未摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池，H對應于Cu摻雜的CdS量子點敏化太陽能電池，插圖為電化學交流阻抗譜的等效電路?！揪唧w實施方式】
[0010]銅摻雜硫化鎘量子點敏化太陽能電池及其制備方法，該方法是將Cu2+摻雜到CdS量子點中作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
[0011]實施例1
銅摻雜硫化鎘量子點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CuCl2W入步驟I)配備的Cd(NO3)2溶液當中，其中Cu2+與Cd2+的原子個數(shù)比為1:1;
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干；
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成了 Cu摻雜的CdS半導體量子點敏化劑層；
[0012]實施例2
銅摻雜硫化鎘量子點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CuCl2W入步驟I)配備的Cd(NO3)2溶液當中，其中Cu2+與Cd2+的原子個數(shù)比為I: 500 ；
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干；
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成了 Cu摻雜的CdS半導體量子點敏化劑層；
[0013]實施例3
銅摻雜硫化鎘量子點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CuCl2W入步驟I)配備的Cd(NO3)2溶液當中，其中Cu2+與Cd2+的原子個數(shù)比為I: 1000 ；
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干；
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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成了 Cu摻雜的CdS半導體量子點敏化劑層。
【權利要求】
1.一種用于太陽能電池的銅摻雜量子點敏化劑，其特征在于:所述方法是將雜質原子摻雜到半導體量子點中，作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
2.根據(jù)權利要求1所述的銅摻雜量子點敏化劑，其特征在于所述的半導體量子點為CdS。
3.根據(jù)權利要求1所述的銅摻雜硫化鎘量子點敏化劑，其特征在于所述的摻雜方法為連續(xù)離子層吸附與反應(Successive ionic layer adsorption and reaction, SILAR)。
4.根據(jù)權利要求1所述的摻雜量子點敏化劑，其特征在于所述的雜質原子為Cu。
5.根據(jù)權利要求1所述的摻雜量子點敏化劑，其特征在于所述的Cu雜質原子摻入CdS量子點形成Cu摻雜的CdS半導體量子點。
6.根據(jù)權利要求1所述的量子點敏化太陽能電池，其特征在于所述的Cu摻雜的CdS半導體量子點作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
7.根據(jù)權利要求1所述的摻雜量子點敏化劑，其特征在于所述方法的具體步驟為: 1)配備濃度為0.0lM-1M含有半導體量子點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Cu雜質原子的可溶性鹽溶液加入步驟I)配備的陽離子溶液當中，其中雜質原子與半導體量子點原子個數(shù)之比為1: 1-1: 1000； 3)配備濃度為0.01M-1M含有半導體量子點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體光陽極材料浸入步驟2)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干； 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，取出用相應溶劑清洗干凈，并用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜的CdS半導體量子點敏化劑層。
【文檔編號】H01G9/042GK103854862SQ201210520490
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優(yōu)先權日:2012年11月29日
【發(fā)明者】鄒小平, 周洪全, 黃宗波, 滕功清 申請人:北京信息科技大學