一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法
【專利摘要】一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法，采用結(jié)合熱注入法成晶效果好，再沉淀方法簡單和陰離子快速交換的方法等特點(diǎn)來制備可見光范圍內(nèi)的七種顏色量子點(diǎn)。通過改變反應(yīng)物配比來提高量子點(diǎn)產(chǎn)率，適當(dāng)合理提高反應(yīng)溫度來使量子點(diǎn)納米晶的結(jié)晶度，改變反應(yīng)時(shí)間來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的尺寸和更換不同反應(yīng)的配體種類來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的形狀，使半導(dǎo)體有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)能級(jí)和禁帶寬度能和多孔二氧化鈦的能級(jí)禁帶寬度相匹配，即形成有序的階梯結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：這種含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)制備技術(shù)穩(wěn)定，方法簡單，操作簡便。熱注入法能使量子點(diǎn)結(jié)晶性更好，量子點(diǎn)產(chǎn)率更高、粒徑分布均勻顆、粒尺寸易控制同時(shí)穩(wěn)定性比較好。
【專利說明】
一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法，具體為一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類科學(xué)文明的發(fā)展和進(jìn)步，能源的短缺和污染成了21世紀(jì)的焦點(diǎn)話題。太陽能的開發(fā)利用對(duì)解決能源危機(jī)和降低環(huán)境污染都具有極其重要的意義。其中，新一代太陽能電池一量子點(diǎn)敏化太陽能電池由于具備高理論轉(zhuǎn)換效率和低生產(chǎn)成本，引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。但是由于材料本身缺陷、能級(jí)匹配及制備工藝對(duì)太陽能電池性能的影響，設(shè)計(jì)了含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)作為光電轉(zhuǎn)換材料，利用含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦寬吸收光譜，采用溶劑法合成技術(shù)，合成了可控粒徑含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)材料并將其應(yīng)用于太陽能電池中。準(zhǔn)零維材料量子點(diǎn)相較于半導(dǎo)體體材料易調(diào)控能級(jí)使得電子給體和受體之間能級(jí)匹配，大幅提高太陽能光電轉(zhuǎn)換效率。含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)兼顧了量子點(diǎn)所有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又將含銅鈣鈦礦體材料的寬吸收賦予量子點(diǎn)之中，使得含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)作為太陽能電池的吸光材料而具有非常寬的吸收峰，從而進(jìn)一步提高量子點(diǎn)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
[0003]本發(fā)明分別采用溶劑熱法中有機(jī)相合成的方法制備出不同穩(wěn)定劑修飾的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)，并將其應(yīng)用于太陽能電池中。有機(jī)相中制備的量子點(diǎn)具有較高的熒光量子產(chǎn)率，較好的單分散性和穩(wěn)定性，光學(xué)性能優(yōu)異且粒徑可控，制備的量子點(diǎn)無毒、廉價(jià)、操作簡單、環(huán)境友好、并有高度的重現(xiàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法，采用結(jié)合熱注入法成晶效果好，再沉淀方法簡單和陰離子快速交換的方法等特點(diǎn)來制備可見光范圍內(nèi)的七種顏色量子點(diǎn)。通過改變反應(yīng)物配比來提高量子點(diǎn)產(chǎn)率，適當(dāng)合理提高反應(yīng)溫度來使量子點(diǎn)納米晶的結(jié)晶度，改變反應(yīng)時(shí)間來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的尺寸和更換不同反應(yīng)的配體種類來調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的形狀，使半導(dǎo)體有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)能級(jí)和禁帶寬度能和多孔二氧化鈦的能級(jí)禁帶寬度相匹配，即形成有序的階梯結(jié)構(gòu)。這樣的結(jié)構(gòu)能夠加快整個(gè)器件結(jié)構(gòu)的電子空穴傳輸，避免電子一空穴對(duì)的俄歇復(fù)合，從而提高這種含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]本發(fā)明采用以下方案:一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法，其特征是方法步驟如下:
(I)以鹵代銅(CuC12，CuBr2和CuI2)作為這種含銅鈣鈦礦有機(jī)無機(jī)量子點(diǎn)制備無機(jī)銅前驅(qū)體，以有機(jī)鹵代肼(NH2CH=NHC1，冊(cè)201=順84卩順201=順1)作為作為有機(jī)驅(qū)體，以~少二甲基甲酰胺(DMF)為非配位溶劑，油酸和油胺作為溶劑反應(yīng)制得油溶性含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)。丙酮促使量子點(diǎn)沉淀，離心分離提純； (2)有機(jī)前驅(qū)體和無機(jī)銅源以3:1的摩爾比反應(yīng)制得量子點(diǎn)，此時(shí)量子點(diǎn)粗溶液含有未反應(yīng)的雜質(zhì)，加入一定比例的丙酮促使量子點(diǎn)沉淀離心分離得固體粉末，加入正己烷溶解再加過量丙酮沉淀，反復(fù)兩次得到純凈的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)粉末；
(3)將純凈的含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)粉末重新分散到正己烷中；
(4)以多孔η型半導(dǎo)體T12納米材料為光陽極，將提純后的含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)和T12組裝成電池；當(dāng)太陽光照射光陽極時(shí)，光子進(jìn)入在納米T12上的量子點(diǎn)，使量子點(diǎn)的在價(jià)帶上的電子、空穴對(duì)發(fā)生分離，電子從價(jià)帶躍迀至導(dǎo)帶并注入T12的導(dǎo)帶中經(jīng)由FTO導(dǎo)電玻璃連接負(fù)載傳遞給鉑金背電極，最后通過空穴傳輸層PESOT: PSS和電子復(fù)合形成電子-空穴對(duì)完成一個(gè)循環(huán)。
[0006]—種采用含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備組裝方法，其特征在于可通過如下步驟實(shí)現(xiàn):
(1)水合肼降溫到O攝氏度，緩慢滴加鹵代氫溶液，同時(shí)不停攪拌，攪拌大約2-3小時(shí)，旋蒸熱蒸發(fā)程粉末，再溶于乙醇，用乙醚促沉淀，重復(fù)三次;在真空干燥箱里面過夜干燥，將鹵代銅(CuC12，CuBr2和CuI2)、油酸、油胺的摩爾比為1:0.5:0.5超聲溶解在1^二甲基甲酰胺(DMF)，隨后取鹵代肼溶液在O攝氏度到80攝氏度快速注入，形成這種在紫外燈照射下不同顏色的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)；
(2)所制備這種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)通過過量的丙酮誘使量子點(diǎn)沉淀，HOOOrpm高速離心分離，分離后的量子點(diǎn)重新分散到正己烷中得到含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)溶液；
(3)以多孔T12Sn型半導(dǎo)體，將T12旋涂到FTO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電層上形成一層薄膜，將其浸泡在所制備的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)中，浸泡完后往樣品層上再旋涂一層空穴傳遞層PED0T:PSS;選用鉑金電極作為背電極，以模擬太陽光源照射光陽極通過電化學(xué)工作站測量太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:這種含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)制備技術(shù)穩(wěn)定，方法簡單，操作簡便。有機(jī)相中制備的量子點(diǎn)熒光量子產(chǎn)率高，單分散性和穩(wěn)定性較好，光學(xué)性能優(yōu)異且粒徑可控;熱注入法能使量子點(diǎn)結(jié)晶性更好，量子點(diǎn)產(chǎn)率更高、粒徑分布均勻顆、粒尺寸易控制同時(shí)穩(wěn)定性比較好。再沉淀方法制備的量子點(diǎn)材料毒性小、成本廉價(jià)、操作簡單方便，制備周期短、重現(xiàn)性高并且對(duì)環(huán)境污染小。所制備的太陽能電池器件組裝方法簡單，成本低且具有很寬的吸收光譜和高光電轉(zhuǎn)換效率，并有高度的重現(xiàn)性符合能源發(fā)展趨勢(shì)，具備很高的開發(fā)價(jià)值。
【具體實(shí)施方式】
[0008]以下通過實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本實(shí)施例并不用于限制本發(fā)明，凡是采用本發(fā)明的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0009]本發(fā)明采用溶劑熱法:在有機(jī)相中合成含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)，與二氧化鈦組裝成電池。
[0010]本發(fā)明含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)合成具體步驟如下:
(I)往10mL單口燒瓶中加入一定量的水合肼溶液，在冰水浴中緩慢滴加一定量的鹵代氫酸(HCl，HBr和HI)，同事不停的攪拌2_3小時(shí)。然后旋轉(zhuǎn)熱蒸發(fā)成粉末，溶于乙醇，用乙醚促沉淀，反復(fù)三次。最后放入真空干燥箱過夜干燥。得到鹵代肼粉末。
[0011](2)加入適量作為配體的油酸和油胺，非配體穩(wěn)定劑的N，N二甲基甲酰胺(DMF)和鹵代銅。使裝置密閉，50°C攪拌同時(shí)將裝置抽成真空，然后打開三通閥往裝置中充入高純Ar，反復(fù)三次使得裝置內(nèi)和溶劑中完全無氧。在不同溫度(O攝氏度到80攝氏度)用一次性注射器注入溶于乙醇的鹵代肼前驅(qū)體，其中鹵代銅、油酸、油胺的摩爾比為1:0.5:0.5。
[0012]本發(fā)明含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)分離提純步驟如下:
(I)將制得的量子點(diǎn)移入燒杯中，緩慢持續(xù)加入丙酮，當(dāng)看到有沉淀生成時(shí)繼續(xù)加入丙酮直至沉淀不再生成;將得到含有沉淀的溶液移入50mL離心管中，HOOOrmp離心1min得含銅的有機(jī)無機(jī)量子點(diǎn)粉末。反復(fù)三次即可得純凈油溶性含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)。
[0013](2)將得到的量子點(diǎn)重新分散在正己烷中供組裝電池使用本發(fā)明含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池組裝步驟如下:
(I)取1.5*2.0cm2的FTO導(dǎo)電玻璃于丙酮、無水乙醇和水摩爾比為2: 2:1的溶液中超聲清洗lOmin，隨即用去離子水清洗掉有機(jī)溶劑，將洗凈的導(dǎo)電玻璃烘干。
[0014](2)在導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電層旋涂一層多孔T12膜，然后將含有T12膜的導(dǎo)電玻璃在盛有量子點(diǎn)溶液的稱量瓶中浸泡24h使得量子點(diǎn)充分吸附在T i02分子上。
[0015](3)往吸附好量子點(diǎn)的的T12膜上旋涂一層PEDOT:PSS，用鉑金電極夾在PEDOT:PSS上層組裝成含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池。
[0016]四、通過含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)合成、量子點(diǎn)分離提純和含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池組裝三個(gè)步驟制備出低成本、半高峰寬大含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)，滿足高效太陽能電池制備工藝的要求。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備方法，其特征是方法步驟如下: (1)以鹵代銅(CUC12，CuBr2和CuI2)作為這種含銅鈣鈦礦有機(jī)無機(jī)量子點(diǎn)制備無機(jī)銅前驅(qū)體，以有機(jī)鹵代肼(NH2CH=NHC1，冊(cè)201=順84卩順201=順1)作為作為有機(jī)驅(qū)體，以~少二甲基甲酰胺(DMF)為非配位溶劑，油酸和油胺作為溶劑反應(yīng)制得油溶性含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn);丙酮促使量子點(diǎn)沉淀，離心分離提純； (2)有機(jī)前驅(qū)體和無機(jī)銅源以3:1的摩爾比反應(yīng)制得量子點(diǎn)，此時(shí)量子點(diǎn)粗溶液含有未反應(yīng)的雜質(zhì)，加入一定比例的丙酮促使量子點(diǎn)沉淀離心分離得固體粉末，加入正己烷溶解再加過量丙酮沉淀，反復(fù)兩次得到純凈的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)粉末； (3)將純凈的含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)粉末重新分散到正己烷中； (4)以多孔η型半導(dǎo)體T12納米材料為光陽極，將提純后的含銅有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)和T12組裝成電池；當(dāng)太陽光照射光陽極時(shí)，光子進(jìn)入在納米T12上的量子點(diǎn)，使量子點(diǎn)的在價(jià)帶上的電子、空穴對(duì)發(fā)生分離，電子從價(jià)帶躍迀至導(dǎo)帶并注入T12的導(dǎo)帶中經(jīng)由FTO導(dǎo)電玻璃連接負(fù)載傳遞給鉑金背電極，最后通過空穴傳輸層PESOT: PSS和電子復(fù)合形成電子-空穴對(duì)完成一個(gè)循環(huán)。2.—種采用權(quán)利要求1所述的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)太陽能電池的制備組裝方法，其特征在于可通過如下步驟實(shí)現(xiàn): (1)水合肼降溫到O攝氏度，緩慢滴加鹵代氫溶液，同時(shí)不停攪拌，攪拌大約2-3小時(shí)，旋蒸熱蒸發(fā)程粉末，再溶于乙醇，用乙醚促沉淀，重復(fù)三次;在真空干燥箱里面過夜干燥，將鹵代銅(CuC12，CuBr2和CuI2)、油酸、油胺的摩爾比為1:0.5:0.5超聲溶解在1^二甲基甲酰胺(DMF)，隨后取鹵代肼溶液在O攝氏度到80攝氏度快速注入，形成這種在紫外燈照射下不同顏色的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)； (2)所制備這種含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)通過過量的丙酮誘使量子點(diǎn)沉淀，HOOOrpm高速離心分離，分離后的量子點(diǎn)重新分散到正己烷中得到含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)溶液； (3)以多孔T12Sn型半導(dǎo)體，將T12旋涂到FTO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電層上形成一層薄膜，將其浸泡在所制備的含銅的有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦量子點(diǎn)中，浸泡完后往樣品層上再旋涂一層空穴傳遞層PED0T:PSS;選用鉑金電極作為背電極，以模擬太陽光源照射光陽極通過電化學(xué)工作站測量太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK105870338SQ201610205061
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月5日
【發(fā)明人】李清華, 程園遠(yuǎn), 金肖
【申請(qǐng)人】南昌航空大學(xué)