用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于太陽(yáng)電池的In摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法，該方法是將In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(yáng)能電池。In摻雜后CdS半導(dǎo)體的吸收光能力增強(qiáng)，電池內(nèi)部電子空穴的傳輸路徑得到明顯優(yōu)化，使得電子空穴可以更加快速的分離；從而使得電子更有效的注入到寬禁帶氧化物半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，抑制了暗電流的產(chǎn)生，提高了太陽(yáng)能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。此方法簡(jiǎn)單，易于操作，成本低，可大面積制作。
【專利說(shuō)明】用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種用于太陽(yáng)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]面對(duì)全球石化能源日益枯竭，取之不盡用之不竭的太陽(yáng)能可以替代化石能源解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)問(wèn)題。在各類新型太陽(yáng)能電池中，染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSCs)以低成本、制作工藝簡(jiǎn)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) oDSSCs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(yáng)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(guò)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(wú)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,這種電池成為量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)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)。
[0003]但是目前利用量子點(diǎn)敏化的太陽(yáng)能電池QDSSCs，其短路電流很低，導(dǎo)致其總體性能還低于DSSCs。為了提高QDSSCs的短路電流，開(kāi)展了一系列對(duì)QDSSCs的改性工作，其中PbS、CdS量子點(diǎn)共敏化被廣泛研究,并在提高短路電流方面取得一定進(jìn)展(Antonio Braga,J.Phys.Chem.Lett.2011，2，454-460)。同時(shí)對(duì)光陽(yáng)極半導(dǎo)體量子點(diǎn)進(jìn)行摻雜也是一種常用的有效方法，CN102163502A公開(kāi)了一種在CdS量子點(diǎn)中摻雜Ca雜質(zhì)離子的方法，提高T CdS 的導(dǎo)帶能級(jí)，有利于電子的傳輸；(Pralay K.Santra, J.Am.Chem.Soc.2012,134,2508-2511)通過(guò)SILAR方法對(duì)CdS/CdSe中CdS摻雜Mn，取得較好效果。但是，目前通過(guò)SILAR方法對(duì)PbS/CdS共敏化太陽(yáng)能電池中的CdS摻雜In作為敏化劑提高QDSSCs的短路電流的工作還未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述的缺陷，本發(fā)明提供了一種用于太陽(yáng)電池的In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，從而使得電子空穴可以更加快速的分離，進(jìn)而提高太陽(yáng)能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)施的:
用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法，該方法是將In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(yáng)能電池。
[0006]所述方法的具體步驟為:
I)配備濃度為0.01M-1M含有PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽(yáng)離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ；
2)配備濃度為0.0lM-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20-60min ；
3)將待敏化的寬禁帶半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料浸入步驟I)制備的溶液中l(wèi)-60min，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈桑?br> 4)將步驟3)得到的光陽(yáng)極材料浸入步驟2)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上形成PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
5)配備濃度為0.01M-1M含有CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽(yáng)離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ；
6)將含有In雜質(zhì)原子的可溶性鹽溶液加入步驟5)配備的陽(yáng)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)的比為1: 1-1: 1000；
7)將步驟4)制得的PbS量子點(diǎn)敏化光陽(yáng)極材料浸入步驟6)制備的溶液中1-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈桑?br> 8)將步驟7)制得的光陽(yáng)極材料浸入步驟2)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上分別形成PbS和In摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑層。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:在此以In、Cd原子個(gè)數(shù)比為1: 10的In原子摻雜到CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)為例來(lái)說(shuō)明。將In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(yáng)能電池，摻雜In后CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)的吸收光能力增強(qiáng)，用PbS量子點(diǎn)與In摻雜CdS量子點(diǎn)組裝成量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，通過(guò)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TiO2的導(dǎo)帶中，抑制了暗電流的產(chǎn)生，提高了太陽(yáng)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(yáng)能電池的短路電流、光電轉(zhuǎn)化效率分別為18.28mA、2.06%,比未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的短路電流、效率分別高出了 16.2%,73.1%。
[0008]本發(fā)明將通過(guò)下面實(shí)例來(lái)進(jìn)行舉例說(shuō)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(shuō)明】
[0009]圖1為絲網(wǎng)印刷TiO2納米晶顆粒上沉積PbS量子點(diǎn)與In摻雜CdS量子點(diǎn)薄膜的剖面SEM圖；
圖2為絲網(wǎng)印刷TiO2納米晶顆粒上沉積PbS量子點(diǎn)與In摻雜CdS量子點(diǎn)薄膜的SEM
圖；
圖3絲網(wǎng)印刷TiO2納米晶顆粒上沉積PbS量子點(diǎn)與In摻雜CdS量子點(diǎn)薄膜的EDS圖；圖4為未摻雜的CdS量子點(diǎn)與摻雜In的CdS量子點(diǎn)薄膜的紫外可見(jiàn)吸收光譜；其中，A曲線對(duì)應(yīng)于PbS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜，B曲線對(duì)應(yīng)于PbS與In摻雜的CdS量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜；
圖5為未摻雜的CdS量子點(diǎn)與摻雜In的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電流轉(zhuǎn)換效率圖；其中，A曲線對(duì)應(yīng)于PbS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電流轉(zhuǎn)換效率，B曲線對(duì)應(yīng)于PbS與In摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電流轉(zhuǎn)換效率；
圖6為未摻雜的CdS量子點(diǎn)與摻雜In的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線；其中，A對(duì)應(yīng)于PbS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線，B對(duì)應(yīng)于PbS與In摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線；
圖7為PbS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和PbS與摻雜In的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)；
圖8為未摻雜的CdS量子點(diǎn)與摻雜In的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的EIS交流阻抗譜；其中，A對(duì)應(yīng)于PbS與未摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的EIS譜，B對(duì)應(yīng)于PbS與In摻雜的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的EIS譜；
圖9為未摻雜的PbS與CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池和PbS與摻雜In的CdS量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的EIS性能參數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0010]用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法，該方法是將In雜質(zhì)原子摻雜到CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)中，再與PbS量子點(diǎn)共同作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。
[0011]實(shí)施例1
用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.1M的Pb(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)將待敏化的光陽(yáng)極材料TiO2浸入步驟I)制備的Pb(NO3)2溶液中l(wèi)min，取出用氮?dú)獯蹈桑?br> 3)將步驟2)得到的光陽(yáng)極材料浸入步驟I)制備的Na2S溶液中l(wèi)min，取出用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上形成PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
4)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 ；
5)將InCl3溶液加入步驟4)配備的Cd(NO3)2溶液當(dāng)中，其中In3+與Cd2+的原子個(gè)數(shù)比為1:1;
6)將步驟5)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
7)將步驟4)制得的PbS的量子點(diǎn)敏化光陽(yáng)極材料浸入步驟6)制備的溶液中5min，取出用氮?dú)獯蹈桑?br> 8)將步驟7)制得的光陽(yáng)極材料浸入步驟4)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮?dú)獯蹈桑瑒t在光陽(yáng)極材料上形成PbS與In摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑層。
[0012]實(shí)施例2
用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.1M的Pb(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)將待敏化的光陽(yáng)極材料TiO2浸入步驟I)制備的Pb(NO3)2溶液中l(wèi)min，取出用氮?dú)獯蹈桑?br> 3)將步驟2)得到的光陽(yáng)極材料浸入步驟I)制備的Na2S溶液中l(wèi)min，取出用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上形成PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
4)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 ； 5)將InCl3溶液加入步驟4)配備的Cd(NO3)2溶液當(dāng)中，其中In3+與Cd2+的原子個(gè)數(shù)比為I: 10 ；
6)將步驟5)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
7)將步驟4)制得的PbS的量子點(diǎn)敏化光陽(yáng)極材料浸入步驟6)制備的溶液中5min，取出用氮?dú)獯蹈桑?br> 8)將步驟7)制得的光陽(yáng)極材料浸入步驟4)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮?dú)獯蹈桑瑒t在光陽(yáng)極材料上形成PbS與In摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑層。
[0013]實(shí)施例3
用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化劑及制備方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.1M的Pb(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)將待敏化的光陽(yáng)極材料TiO2浸入步驟I)制備的Pb(NO3)2溶液中l(wèi)min，取出用氮?dú)獯蹈桑?br> 3)將步驟2)得到的光陽(yáng)極材料浸入步驟I)制備的Na2S溶液中l(wèi)min，取出用氮?dú)獯蹈桑瑒t在光陽(yáng)極材料上形成PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層；
4)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 ；
5)將InCl3溶液加入步驟4)配備的Cd(NO3)2溶液當(dāng)中，其中In3+與Cd2+的原子個(gè)數(shù)比為 I: 1000 ；
6)將步驟5)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
7)將步驟4)制得的PbS的量子點(diǎn)敏化光陽(yáng)極材料浸入步驟6)制備的溶液中5min，取出用氮?dú)獯蹈桑?br> 8)將步驟7)制得的光陽(yáng)極材料浸入步驟4)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上形成PbS與In摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑層。
【權(quán)利要求】
1.一種用于太陽(yáng)能電池的銦摻雜硫化鎘量子點(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(yáng)能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銦摻雜硫化鎘量子點(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)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銦摻雜硫化鎘量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的電池敏化劑層結(jié)構(gòu)為:PbS/In摻雜的CdS。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述的量子點(diǎn)敏化劑為PbS、In摻雜的CdS。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述的雜質(zhì)原子為In。
6.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In雜質(zhì)原子摻入CdS量子點(diǎn)形成In摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏化太陽(yáng)能電池，其特征在于所述的In摻雜的CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)沉積在PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)之上，作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摻雜量子點(diǎn)敏化劑，其特征在于所述方法的具體步驟為: 1)配備濃度為0.0lM-1M含有PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽(yáng)離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ； 2)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20-60min ； 3)將待敏化的寬禁帶半導(dǎo)體光陽(yáng)極材料浸入步驟I)制備的溶液中l(wèi)-60min，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈桑? 4)將步驟3)得到的光陽(yáng)極材料浸入步驟2)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上形成PbS半導(dǎo)體量子點(diǎn)敏化劑層； 5)配備濃度為0.01M-1M含有CdS半導(dǎo)體量子點(diǎn)陽(yáng)離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ； 6)將含有In雜質(zhì)原子的可溶性鹽溶液加入步驟5)配備的陽(yáng)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)的比為1: 1-1: 1000； 7)將步驟4)制得的PbS量子點(diǎn)敏化光陽(yáng)極材料浸入步驟6)制備的溶液中1-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈桑? 8)將步驟7)制得的光陽(yáng)極材料浸入步驟2)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮?dú)獯蹈?，則在光陽(yáng)極材料上分別形成PbS和In摻雜CdS量子點(diǎn)敏化劑層。
【文檔編號(hào)】H01G9/042GK103854873SQ201210520505
【公開(kāi)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, 黃宗波, 周洪全 申請(qǐng)人:北京信息科技大學(xué)