用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點敏化劑及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于太陽電池的Cu摻雜PbS量子點敏化劑及其制備方法，該方法是將Cu雜質(zhì)原子摻雜到PbS半導(dǎo)體量子點中作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。Cu摻雜后PbS半導(dǎo)體的吸收光能力增強，電池內(nèi)部電子空穴的傳輸路徑得到明顯的優(yōu)化，使得電子空穴可以更加快速的分離；從而使得電子可以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】用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點敏化劑及制備方法
【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敏化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]面對全球石化能源日益枯竭，取之不盡用之不竭的太陽能可以替代化石能源解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)問題。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(zhuǎn)換效率而成為研究熱點(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)電玻璃作為對電極，正極和對電極之間加入氧化-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，而且價格也相對較高，所以采用價格便宜的窄禁帶無機(jī)半導(dǎo)體量子點作為敏化劑，可以降低電池的成本,提高穩(wěn)定性,這種電池成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(chǎn)生一個電子，量子點可以由一個高能光子產(chǎn)生多個電子，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敏化的太陽能電池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，開展了一系列對QDSSCs的改性工作，其中PbS、CdS量子點共敏化被廣泛研究,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)。同時對光陽極半導(dǎo)體量子點進(jìn)行摻雜也是一種常用的有效方法，CN102163502A公開了一種在CdS量子點中摻雜Ca雜質(zhì)離子的方法，提高T CdS 的導(dǎo)帶能級，有利于電子的傳輸；(Pralay K.Santra, J.Am.Chem.Soc.2012,134,2508-2511)通過SILAR方法對CdS/CdSe中CdS摻雜Mn，取得較好效果。但是，目前通過SILAR方法對PbS/CdS共敏化太陽能電池中的PbS摻雜Cu作為敏化劑提高QDSSCs的短路電流的工作還未見報道。

【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電池的Cu摻雜PbS量子點敏化劑及其制備方法，以此改性PbS半導(dǎo)體量子點的光電特性，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)方案實施的:
用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點敏化劑及制備方法，該方法是將Cu雜質(zhì)原子摻雜到PbS半導(dǎo)體量子點中再與CdS量子點共同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0.0lM-1M含有PbS半導(dǎo)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(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)體量子點原子個數(shù)的比為1: 1-1: 1000；
3)配備濃度為0.01M-1M含有半導(dǎo)體量子點陰離子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫20-60min ；
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l(wèi)-60min，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，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(yīng)溶劑沖洗之后，用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜的PbS半導(dǎo)體量子點敏化劑層；
6)配備濃度為0.01M-1M含有CdS半導(dǎo)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 ；
7)將步驟5)制得的Cu摻雜的PbS量子點敏化光陽極材料浸入步驟6)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮氣吹干；
8)將步驟7)制得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)溶劑沖洗之后，用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS和CdS量子點敏化劑層。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點在于:在此以Cu、Pb原子個數(shù)比為1: 10的Cu原子摻雜到PbS半導(dǎo)體量子點為例來說明。將Cu摻雜到PbS量子點中作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池，摻雜Cu后PbS半導(dǎo)體量子點的吸收光能力增強，用Cu摻雜PbS量子點與CdS量子點組裝成量子點敏化太陽能電池，通過優(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，提高了太陽能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。在lOOmW/cm2的光強條件下，該太陽能電池的短路電流、光電轉(zhuǎn)化效率分別為21.5mA、2.33%，比未摻雜的PbS量子點敏化太陽能電池的短路電流、效率分別高出了 36.9%,68.8%。
[0008]本發(fā)明將通過下面實例來進(jìn)行舉例說明，但是，本發(fā)明并不限于這里所描述的實施方案，本發(fā)明的實施例僅用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員對本發(fā)明的內(nèi)容所進(jìn)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(nèi)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為絲網(wǎng)印刷TiO2納米晶顆粒上沉積Cu摻雜PbS量子點與CdS量子點薄膜的剖面SEM圖；
圖2為絲網(wǎng)印刷TiO2納米晶顆粒上沉積Cu摻雜PbS量子點與CdS量子點薄膜的SEM
圖；
圖3絲網(wǎng)印刷TiO2納米晶顆粒上沉積Cu摻雜PbS量子點與CdS量子點薄膜的EDS圖；圖4為未摻雜的PbS量子點與摻雜Cu的PbS量子點薄膜的全反射吸收光譜圖；其中，A曲線對應(yīng)于未摻雜的PbS與CdS量子點的全反射吸收光譜，B曲線對應(yīng)于Cu摻雜的PbS與CdS量子點的全反射吸收光譜；
圖5為未摻雜的PbS量子點與摻雜Cu的PbS量子點敏化太陽能電池的光電流轉(zhuǎn)換效率圖；其中，A曲線對應(yīng)于未摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的光電流轉(zhuǎn)換效率，B曲線對應(yīng)于Cu摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的光電流轉(zhuǎn)換效率；
圖6為未摻雜的PbS量子點與摻雜Cu的PbS量子點敏化太陽能電池的J-V曲線；其中，A對應(yīng)于未摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的J-V曲線，B對應(yīng)于Cu摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的J-V曲線；
圖7為未摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池和摻雜Cu的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的性能參數(shù)；
圖8為未摻雜的PbS量子點與摻雜Cu的PbS量子點敏化太陽能電池的EIS交流阻抗譜；其中，A對應(yīng)于未摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的EIS譜，B對應(yīng)于Cu摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的EIS譜；
圖9為未摻雜的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池和摻雜Cu的PbS與CdS量子點敏化太陽能電池的EIS性能參數(shù)。
【具體實施方式】
[0010]用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點敏化劑及制備方法，該方法是將是將Cu雜質(zhì)原子摻雜到PbS半導(dǎo)體量子點中，再與CdS量子點共同作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
[0011]實施例1
用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點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CuCl2溶液加入步驟I)配備的Pb(NO3)2溶液當(dāng)中，其中Cu與Pb的原子個數(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l(wèi)min，取出用氮氣吹干；
5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟2)制備的Na2S溶液中l(wèi)min，取出用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS半導(dǎo)體量子點敏化劑層；
6)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 ；
7)將步驟5)制得的Cu摻雜PbS的量子點敏化光陽極材料浸入步驟6)制備的溶液中5min，取出用氮氣吹干；
8)將步驟7)制得的光陽極材料浸入步驟2)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS與CdS量子點敏化劑層。
[0012]實施例2
用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點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CuCl2溶液加入步驟I)配備的Pb(NO3)2溶液當(dāng)中，其中Cu2+與Pb2+的原子個數(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，取出用氮氣吹干；
5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟2)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS半導(dǎo)體量子點敏化劑層；
6)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 ；
7)將步驟5)制得的Cu摻雜PbS的量子點敏化光陽極材料浸入步驟6)制備的溶液中5min，取出用氮氣吹干；
8)將步驟7)制得的光陽極材料浸入步驟2)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS與CdS量子點敏化劑層。
[0013]實施例3
用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點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CuCl2溶液加入步驟I)配備的Pb(NO3)2溶液當(dāng)中，其中Cu2+與Pb2+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，取出用氮氣吹干；
5)將步驟4)得到的光陽極材料浸入步驟2)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS半導(dǎo)體量子點敏化劑層；
6)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 ；
7)將步驟5)制得的Cu摻雜PbS的量子點敏化光陽極材料浸入步驟6)制備的溶液中5min，取出用氮氣吹干；
8)將步驟7)制得的光陽極材料浸入步驟2)制備的Na2S溶液中5min，取出用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS與CdS量子點敏化劑層。
【權(quán)利要求】
1.一種用于太陽能電池的銅摻雜硫化鉛量子點敏化劑，其特征在于:所述方法是將雜質(zhì)原子摻雜到半導(dǎo)體量子點中，作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅摻雜硫化鉛量子點敏化劑，其特征在于所述的摻雜方法為連續(xù)離子層吸附與反應(yīng)(Successive ionic layer adsorption and reaction, SILAR)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅摻雜硫化鉛量子點敏化太陽能電池，其特征在于所述的電池敏化劑層結(jié)構(gòu)為:Cu摻雜的PbS/CdS。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子點敏化劑，其特征在于所述的量子點敏化劑為Cu摻雜的PbS,CdS0
5.根據(jù)權(quán)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(zhì)原子為Cu。
6.根據(jù)權(quán)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(zhì)原子摻入PbS量子點形成Cu摻雜的PbS半導(dǎo)體量子點。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敏化太陽能電池，其特征在于所述的CdS半導(dǎo)體量子點沉積在Cu摻雜的PbS半導(dǎo)體量子點之上，作為敏化劑組裝成量子點敏化太陽能電池。
8.根據(jù)權(quán)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PbS半導(dǎo)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(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)體量子點原子個數(shù)的比為1: 5-1: 1000； 3)配備濃度為0.0lM-1M含有半導(dǎo)體量子點陰離子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫20-60min ； 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l(wèi)-60min，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，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(yīng)溶劑沖洗之后，用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜的PbS半導(dǎo)體量子點敏化劑層； 6)配備濃度為0.0lM-1M含有CdS半導(dǎo)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 ； 7)將步驟5)制得的Cu摻雜的PbS量子點敏化光陽極材料浸入步驟6)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑沖洗之后，用氮氣吹干； 8)將步驟7)制得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)溶劑沖洗之后，用氮氣吹干，則在光陽極材料上形成Cu摻雜PbS和CdS量子點敏化劑層。
【文檔編號】H01G9/20GK103854864SQ201210520529
【公開日】2014年6月11日 申請日期: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 申請人:北京信息科技大學(xué)