用于太阳电池的三元镉硫碲量子点敏化剂制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂及其制备方法，该方法制备了三元镉硫碲半导体量子点，并用其作为敏化剂组装敏化太阳电池。制备的三元镉硫碲半导体量子点结合了CdS的光稳定性和CdTe的带隙与太阳光谱最匹配的优点，使得光吸收发生明显红移，进一步利于光生载流子的产生和传输动力。以三元镉硫碲半导体量子点作为敏化剂组装的敏化太阳电池相对CdS量子点敏化太阳电池，光电转换效率明显增加、光生电子的传输路径优化，短路电流密度增加近200％，开路电压也有所增加，进而提高了太阳电池能能量转换效率。此方法简单，易于操作，成本低，可大面积制作。
【专利说明】用于太阳电池的三元镉硫碲量子点敏化剂制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太阳能【技术领域】，更具体涉及一种用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂及制备方法。
【背景技术】
[0002]太阳能由于清洁无污染、储量丰富且不受地域限制，被用于替代即将枯竭的化石能源，且能解决中国面临的低碳经济的冲击。在各类新型太阳电池中，染料敏化太阳电池(DSSC)以低成本、制作工艺简单、相对较高的光电转换效率而成为研究热点(O’Regan，B.，Gratzel3 M.,Nature，1991，353，737。作为DSSC的分支，量子点敏化太阳电池(QDSC)亦蓬勃发展(A.J.Nozik, A.J.Nozik / Physica E14 (2002) 115-120)。QDSC 是将吸附了半导体量子点的宽禁带半导体纳米薄膜作为正极，表面镀有一层钼的导电玻璃作为对电极，正极和对电极之间加入氧化-还原电解质形成三明治结构。半导体量子点吸收太阳光能，电子从基态跃迁到激发态，然后快速注入紧邻的TiO2导带中。量子点中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外电路到对电极形成回路产生光电流。量子点可以吸收一个高能光子产生多个电子，大大提高了量子产率。
[0003]但是目前QDSC的总体性能较低，这是因为短路电流密度较低。为了改善QDSC的总体性能，开展了一系列针对于QDSC中量子点的改性工作。其中CdS量子点因制备简单而被广泛应用于太阳电池领域，但是因硫化镉量子点为宽带隙半导体，所以对太阳电池的短路电流密度有很大限制。CdTe因其带隙与太阳光谱匹配很好而广泛应用于薄膜电池，但因CdTe量子点容易被氧化而很少用于敏化太阳电池。近期，(Xina Wang, Haojun Zhu,Yeming Xu, ACSNAN0，2012，4，3302-3308)应用 CBD 方法制备了 CdTe 量子点；(Xiao-YunYu,Bing-Xin Lei,Da1-Bin Kuang，Chem.Sc1.，2011，2，1396-1400)亦应用 CBD 方法制备了CdTe / CdS核壳结构量子点，对电池总体性能有所改善。但是，目前通过SILAR方法制备用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂来提高QDSC的短路电流的工作还未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明为了克服宽带隙硫化镉半导体量子点会限制太阳电池的短路电流密度的缺陷，提供了一种用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂及制备方法.三元镉硫碲半导体量子点结合了 CdS的光稳定性和CdTe的带隙与太阳光谱最匹配的优点，从而利于光生载流子的产生和传输动力。以三元镉硫碲半导体量子点作为敏化剂组装的敏化太阳电池相对CdS量子点敏化太阳电池，短路电流密度增加近200%，开路电压也有所增加，进而提高了太阳电池能能量转换效率。
[0005]本发明是通过以下技术方案实施的:
[0006]一种用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂及制备方法，该方法制备了三元的镉硫碲半导体量子点，且用其作为敏化剂组装成量子点敏化太阳电池。[0007]所述方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTei_x半导体量子点中Cd2+离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声10-60min ；
2)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTei_x半导体量子点中S2—离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min ；
3)将含有三元CdSxTeh半导体量子点中Te2-离子的可溶性盐加入步骤2)配备的溶液中，其中Te2—离子的可溶性盐与S2-离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:1-1:1000 ；
4)将步骤3)制得的溶液放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤I)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的阴离子溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上形成CdSxTei_x半导体量子点敏化剂层；
[0008]本发明的优点在于:在此以溶液中S、Te离子的可溶性盐的质量摩尔浓度为1:50的三元CdSxTei_x半导体量子点为例来说明。制备的三元镉硫碲半导体量子点结合了 CdS的光稳定性和CdTe的带隙与太阳光谱最匹配的优点，使得光吸收发生明显红移，进一步利于光生载流子的产生和传输动力。以三元镉硫碲半导体量子点作为敏化剂组装的敏化太阳电池相对CdS量子点敏化太阳电池，光电转换效率明显增加、光生电子的传输路径优化，短路电流密度增加近200%，开路电压也有所增加，进而提高了太阳电池能能量转换效率。
[0009]本发明将通过下面实例来进行举例说明，但是，本发明并不限于这里所描述的实施方案，本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明。对于本领域的技术人员对本发明的内容所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为丝网印刷TiO2纳米薄膜的剖面SEM图；
图2为丝网印刷TiO2纳米薄膜的SEM图；
图3为丝网印刷TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂薄膜的SEM
图；
图4为丝网印刷TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂薄膜的EDX
图；
图5为丝网印刷TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点的低分辨TEM图；图6为丝网印刷TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点的高分辨TEM图；图7为丝网印刷TiO2纳米薄膜、TiO2纳米颗粒上沉积CdS半导体量子点薄膜、TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点薄膜的XRD谱线图；其中，TiO2曲线对应于TiO2纳米颗粒的XRD谱线；CdS曲线对应于TiO2纳米颗粒上沉积CdS半导体量子点薄膜的XRD谱线；CdSxTei_x曲线对应于TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点薄膜的XRD谱线.-^4 ，
图8为丝网印刷TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点薄膜的XPS图；
图9为三元CdSxTeh半导体量子点中Cd3d5的XPS图谱。
图10为三元CdSxTei_x半导体量子点中S2p的XPS图谱。 图11为三元CdSxTe1I半导体量子点中Te3d5的XPS图谱。
图12为三元CdSxTeh半导体量子点中Cd元素、S元素和Te元素的价态参数。
图13为丝网印刷TiO2纳米颗粒上沉积CdS量子点和TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点薄膜的漫反射吸收光谱图；其中，CdS曲线对应于TiO2纳米颗粒上沉积CdS量子点薄膜的漫反射吸收光谱图！CdSxTeh曲线对应于TiO2纳米颗粒上沉积三元CdSxTei_x半导体量子点薄膜的漫反射吸收光谱图。
图14为CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池、三元CdSxTei_x半导体量子点为敏化剂组装的敏化太阳电池的IPCE谱图。其中，CdS曲线对应于CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的IPCE谱图；CdSxTei_x曲线对应于CdSxTei_x半导体量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的IPCE谱图。
图15为CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池、三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的EIS谱图。其中，CdS曲线对应于CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的EIS谱图；CdSxTei_x曲线对应于CdSxTeh半导体量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的EIS谱图。
图16为CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池、三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的J-V谱图。其中，CdS曲线对应于CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的J-V谱图；CdSxTei_x曲线对应于CdSxTei_x半导体量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的J-V谱图；
图17为CdS量子点敏化剂组装的敏化太阳电池、三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂组装的敏化太阳电池的性能参数。
【具体实施方式】
[0011]用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂及制备方法，该方法制备了三元的镉硫碲半导体量子点，且用其作为敏化剂组装成量子点敏化太阳电池。
[0012]实施例1
用于敏化太阳电池的镉硫碲三元量子点敏化剂及制备方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中Cd2+离子的Cd(NO3)2盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声10-60min ；
2)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中S2—离子的Na2S盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min ；
3)将含有三元CdSxTei_x半导体量子点中Te2_离子的Na2TeO3可溶盐加入步骤2)配备的溶液中，其中Te2_离子的可溶性盐与32_离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:1 ；
4)将步骤3)制得的溶液放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤I)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上形成三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂层；
[0013]实施例2
用于敏化太阳电池的三元镉硫碲量子点敏化剂及制备方法的具体步骤为: 1)配备浓度为0.1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中Cd2+离子的Cd(NO3)2盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声10-60min ；
2)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中S2—离子的Na2S盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min ；
3)将含有三元CdSxTei_x半导体量子点中Te2_离子的Na2TeO3可溶盐加入步骤2)配备的溶液中，其中Te2_离子的可溶性盐与32_离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:100 ；
4)将步骤3)制得的溶液放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤I)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的阴离子溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上形成三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂层；
[0014]实施例3
用于敏化太阳电池的镉硫碲三元量子点敏化剂及制备方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中Cd2+离子的Cd (N03) 2盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声10-60min ；
2)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTei_x半导体量子点中S2—离子的Na2S盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min ；
3)将含有三元CdSxTei_x半导体量子点中Te2_离子的Na2TeO3可溶盐加入步骤2)配备的溶液中，其中Te2_离子的可溶性盐与32_离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:1000 ；
4)将步骤3)制得的溶液放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤I)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上形成三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂层；
[0015]实施例4
用于敏化太阳电池的三元镉硫碲量子点敏化剂及制备方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中Cd2+离子的Cd(NO3)2盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声10-60min ；
2)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中S2—离子的Na2S盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min ；
3)将含有三元CdSxTei_x半导体量子点中Te2_离子的K2TeO3可溶盐加入步骤2)配备的溶液中，其中Te2_离子的可溶性盐与32_离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:20 ；
4)将步骤3)制得的溶液放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤I)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上形成三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂层。
【权利要求】
1.一种用于敏化太阳电池的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂，其特征在于所述方法是以碲离子的可溶性盐与硫离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:1-1:1000的比例制备三元镉硫締半导体量子点，作为敏化剂组装成量子点敏化太阳电池。
2.根据权利要求1所述的三元镉硫碲半导体量子点，其特征在于所述的制备方法为连续离子层吸附与反应(Successive ionic layer adsorption and reaction, SILAR) ?
3.根据权利要求1所述的三元镉硫碲半导体量子点，其特征在于所述的碲离子来源于亚碲酸钠，亚碲酸钾可溶性盐。
4.根据权利要求1所述的三元镉硫碲半导体量子点，其特征在于所述的碲离子的可溶性盐与硫离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:1-1:1000ο
5.根据权利要求1所述的三元镉硫碲半导体量子点，其特征在于所述的量子点为三元的镉硫締量子点。
6.根据权利要求1所述的敏化剂，其特征在于所述的敏化剂为三元的镉硫碲半导体量子点。
7.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳电池，其特征在于所述的敏化剂为三元的镉硫締半导体量子点。
8.根据权利要求1所述的三元镉硫碲半导体量子点敏化剂，其特征在于所述方法的具体步骤为: 1)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTeh半导体量子点中Cd2+离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声10-60min ； 2)配备浓度为0.01M-1M含有三元CdSxTei_x半导体量子点中S2—离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min ； 3)将含有三元CdSxTeh半导体量子点中Te2-离子的可溶性盐加入步骤2)配备的溶液中，其中Te2—离子的可溶性盐与S2-离子的可溶性盐的质量摩尔浓度比为1:1-1:1000 ； 4)将步骤3)制得的溶液放入20-50°C的水浴中恒温超声20-60min； 5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤I)制备的溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干； 6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的阴离子溶液中5-30min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上形成三元CdSxTei_x半导体量子点敏化剂层。
【文档编号】H01L31/18GK103489647SQ201310474397
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年10月12日 优先权日:2013年10月12日
【发明者】邹小平, 高彦艳 申请人:北京信息科技大学