一種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池。太陽能電池由光陽極、對(duì)電極和電解液組成；其中光陽極以碳量子點(diǎn)為敏化劑；對(duì)電極為催化活性材料；電解液為多硫化物氧化還原電對(duì)電解液；本發(fā)明成本低，方法簡單，適于制作大面積量子點(diǎn)敏化太陽能電池；清潔無污染，提高了量子點(diǎn)敏化太陽能電池應(yīng)用前景。
【專利說明】
一種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于太陽能電池制造領(lǐng)域，具體涉及一種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
【背景技術(shù)】
[0002]面對(duì)全球化石能源日益枯竭，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(DSCs)以成本低廉、制作工藝簡單、相對(duì)較高的光電轉(zhuǎn)換效率而成為研究熱點(diǎn)(O’Regan, B.，Gratzel,M., Nature, 1991，353，737)。但是它們的缺點(diǎn)也不容忽視:一方面染料的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高，另一方面價(jià)格相對(duì)較高，限制了染料敏化太陽能電池成本的進(jìn)一步降低。而采用價(jià)格便宜的窄禁帶無機(jī)半導(dǎo)體納米晶即量子點(diǎn)，作為敏化劑，可以進(jìn)一步降低電池成本。并且，與一般染料吸收一個(gè)光子最多產(chǎn)生I個(gè)電子不同，量子點(diǎn)可以由I個(gè)高能光子產(chǎn)生多個(gè)電子，使量子產(chǎn)率將大大提高(Nozik，A.J., Physica E, 2002, 14，115)。
[0003]通常用于量子點(diǎn)敏化太陽能電池的敏化劑主要包括硫化鎘(Lin，S.C.，Lee,Y.L., etc, Appl.Phys.Lett.2007，90，143517)、砸化鎘(Lee，Y.L., Lo, Y.S.，Adv.Funct.Mater.2009 , 19，604)和硫化鉛(Toyoda，T.，Bisquert，J., etc ,Nanotechnology 2009，20，295204)量子點(diǎn)等。這些量子點(diǎn)都存在對(duì)環(huán)境和人體的毒害問題，很難符合太陽能電池的清潔能源發(fā)展趨勢。碳量子點(diǎn)不僅具有碳材料特有的毒性小和生物相容性好的優(yōu)點(diǎn)，還擁有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、水溶性好、光穩(wěn)定性強(qiáng)、無光閃爍、易于功能化和廉價(jià)等無可比擬的優(yōu)勢。發(fā)展碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池，將引領(lǐng)量子點(diǎn)敏化太陽能電池的發(fā)展方向，拓展量子點(diǎn)敏化太陽能電池的應(yīng)用前景(Li，Xiaoming，Zeng, Haibo , etc，Adv.Funct.Mater.2015, 25,4929)ο
[0004]目前，實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)在光陽極上沉積主要有兩種常規(guī)方法:(I)原位沉積法:化學(xué)浴沉積(CBD)或連續(xù)離子層吸附和反應(yīng)(SILAR)直接在T12光陽極生長量子點(diǎn)；(2)預(yù)先制備膠體量子點(diǎn)，然后直接或通過功能連接分子將量子點(diǎn)連接到光陽極上。到現(xiàn)在為止，沒有文獻(xiàn)或?qū)＠麍?bào)道采用原位沉積得到的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
[0006]—種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池，其特征在于太陽能電池由光陽極、對(duì)電極和電解液組成;其中光陽極以碳量子點(diǎn)為敏化劑;對(duì)電極為催化活性材料;電解液為多硫化物氧化還原電對(duì)電解液;碳量子點(diǎn)的沉積方式為原位沉積方式。
[0007]所述碳量子點(diǎn)為單一的碳量子點(diǎn)或碳量子點(diǎn)與其它類型量子點(diǎn)形成的復(fù)合量子點(diǎn)。
[0008]所述其它類型量子點(diǎn)為金屬硫化物量子點(diǎn)或砸化物量子點(diǎn)。
[0009]所述金屬硫化物量子點(diǎn)為PbS或CuInS2,所述砸化物量子點(diǎn)為CdSe或PbSe。
[0010]所述碳量子點(diǎn)不經(jīng)過任何后處理措施或者經(jīng)過燒結(jié)或表面鈍化的后處理措施。[0011 ]所述碳量子點(diǎn)的制備方法為水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法或微波加熱法。
[0012 ]所述催化活性材料為貴金屬、金屬硫化物或碳材料。
[0013]所述貴金屬為金、銀或鈾;所述金屬硫化物為硫化亞銅、硫化鉛和硫化亞鐵的一種或多種;所述碳材料為活性炭、碳黑、鱗片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維和硬碳材料中的一種或多種。
[0014]所述碳材料為活性炭或單壁碳納米管。
[0015]所述多硫化物氧化還原電對(duì)電解液為二硫化物氧化還原電對(duì)電解液，其濃度為0.1~5Mo
[0016]所述光陽極還包括碳量子點(diǎn)敏化的多孔層，所述多孔層材料為Ti02、Nb205、Zn0、Sr0、Si02、Zr02和Al2O3中的一種或多種。
[0017]與現(xiàn)有的量子點(diǎn)敏化染料敏化太陽能電池相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、成本低，方法簡單，適于制作大面積量子點(diǎn)敏化太陽能電池；
2、清潔無污染，提高了量子點(diǎn)敏化太陽能電池應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0018]圖1:1M檸檬酸10mL，加入0.3mL的乙二胺水熱150度形成的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率曲線。
[0019]圖2:沉積碳量子點(diǎn)前(a)和沉積量子點(diǎn)后(b)的光陽極形貌圖(水熱條件:IM檸檬酸1mL，加入0.3mL的乙二胺水熱150度)。
[0020]圖3:粉末碳量子點(diǎn)的XRD圖。
[0021]圖4:經(jīng)過ZnS鈍化的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率曲線。
[0022]圖5:經(jīng)過燒結(jié)后處理的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率曲線。
[0023]圖6:形成CdS/CdSe/碳量子點(diǎn)的復(fù)合量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明所采用的測量電池的方法:將本發(fā)明所制備的光陽極、電解質(zhì)和碳對(duì)電極組裝成電池，進(jìn)行測量；電池的光電性能用計(jì)算機(jī)控制的恒電位/恒電流儀(Keithley2400)在室溫下測量;光源使用500W氙燈，入射光強(qiáng)為100 mw/cm2，光照面積為0.20 cm2。除非另有說明，以下各實(shí)施例中的本發(fā)明光電性能的測量都是在室溫下進(jìn)行的。
[0025]按照本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)方法將經(jīng)過量子點(diǎn)敏化的Ti O2光陽極、含S2—/s/一電解液溶液和硫化亞銅對(duì)電極組裝成量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
[0026]實(shí)施例1
配制IM檸檬酸10mL，加入0.3mL的乙二胺后轉(zhuǎn)移到水熱釜中，在室溫下將T12多孔膜垂直浸入溶液中，150度水熱反應(yīng)48h。水熱反應(yīng)完后，將Na2S2電解質(zhì)溶液，原位制備的碳量子點(diǎn)敏化的T12多孔膜為光陽極和碳對(duì)電極，組裝成碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池。電池的光電化學(xué)性能測試結(jié)果見圖1;沉積碳量子點(diǎn)前后光陽極形貌的變化見圖2;粉末碳量子點(diǎn)的XRD圖譜見圖3。
[0027]實(shí)施例2
在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，對(duì)原位沉積的碳量子點(diǎn)敏化光陽極進(jìn)行ZnS鈍化處理，方法是將光陽極交替浸入到IM的Zn(CH3COO)2和Na2S溶液中l(wèi)min，用純凈水清洗后吹干。這種經(jīng)過ZnS鈍化后的碳量子點(diǎn)敏化電池的光電化學(xué)性能測試結(jié)果見圖4。
[0028]實(shí)施例3
在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，對(duì)原位沉積的碳量子點(diǎn)敏化光陽極進(jìn)行燒結(jié)后處理，方法是將光陽極在N2保護(hù)下，在馬弗爐中400度燒結(jié)lOmin，自然降溫后取出。這種經(jīng)過燒結(jié)后處理的碳量子點(diǎn)敏化電池的光電化學(xué)性能測試結(jié)果見圖5。
[0029]實(shí)施例4
采用化學(xué)浴沉積技術(shù)(CBD)，在光陽極上先沉積CdS量子點(diǎn)，再沉積CdSe量子點(diǎn)。量子點(diǎn)的沉積在10 °C下進(jìn)行。具體操作步驟如下:將T12薄膜浸泡在含有20 mM CdCl2、66 mMNH4CUHO mM硫脲和230 mM氨水的PH約為9.5的水溶液中，CdS沉積時(shí)間為30min，用水反復(fù)清洗。再將已經(jīng)沉積了CdS量子點(diǎn)的T12薄膜浸泡在含有26 mM CdS04、40 mM N(CH2COONa)3和26 mM Na2SeSO3的混合溶液中，CdSe的沉積時(shí)間為5.5h。在連續(xù)沉積CdS和CdSe量子點(diǎn)后，在實(shí)施例1的基礎(chǔ)上沉積碳量子點(diǎn)。這種形成復(fù)合量子點(diǎn)的碳量子點(diǎn)敏化電池的光電化學(xué)性能測試結(jié)果見圖6。
[0030]從以上內(nèi)容可以看出，在本發(fā)明的原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池中，原位制備的方式是化學(xué)浴沉積(CBD)方式。碳量子點(diǎn)的制備方法為水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法和微波加熱法，溶劑可以為水、乙醇、甲醇、乙腈、甲氧基丙腈、丙酮中的一種或多種。碳量子點(diǎn)的制備原料包括檸檬酸等的不同種類無機(jī)酸，甘氨酸等的不同種類氨基酸，乙二胺等的不同種類無機(jī)胺類，氨基咪唑等的不同種類的有機(jī)胺類。
[0031]在本發(fā)明的原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池中，可以采用貴金屬為對(duì)電極材料，貴金屬包括金、銀和鈾;也可以采用金屬硫化物作為對(duì)電極材料，包括硫化亞銅、硫化鉛和硫化亞鐵的一種或多種;可以采用碳材料作為對(duì)電極，例如碳黑、鱗片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維或硬碳材料中的一種或多種，優(yōu)選為活性炭、單壁碳納米管，這是因?yàn)榛钚蕴勘缺砻娣e大，有利于氧化態(tài)電解液的還原，并且性質(zhì)穩(wěn)定，而單壁碳納米管電子傳輸性能更好;所述碳材料的顆粒尺寸可以在10?500nm之間，所制成的碳薄膜的厚度可以在0.5μηι?50μηι之間，優(yōu)選為3μηι?20μηι，更優(yōu)選為8-12μηι，從而得到更好的光電轉(zhuǎn)換效率。在本發(fā)明中可以采用多硫化物氧化還原電對(duì)溶液作為電解質(zhì)溶液(除非另外說明，本文中的“多硫化物”指的是M2Sx,其中Χ=2、3、4，Μ= Na+，K+，NH4+),但因?yàn)槎蚧锏姆€(wěn)定性比三硫化物或四硫化物高，所以優(yōu)選為二硫化物氧化還原電對(duì)電解質(zhì)溶液，該電解液的濃度可以在0.1?5Μ之間。對(duì)于本領(lǐng)域不同技術(shù)人員應(yīng)該理解，多硫化物氧化還原電對(duì)電解液的溶劑可以為水、乙醇、甲醇、乙腈、甲氧基丙腈、丙酮中的一種或多種。盡管在實(shí)施例中僅列舉T12作為量子點(diǎn)敏化太陽能電池的光陽極中多孔層的材料，但本發(fā)明并不局限于此，所述多孔層的材料還可以是Ti02、Nb205、Zn0、Sr0、Si02、Zr02、Al203中的一種或多種;另外，所采用的導(dǎo)電玻璃基底僅為一種優(yōu)選，還可以采用其他無機(jī)非金屬材料作為光陽極和對(duì)電極的基底。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種原位制備的碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池，其特征在于太陽能電池由光陽極、對(duì)電極和電解液組成;其中光陽極以碳量子點(diǎn)為敏化劑;對(duì)電極為催化活性材料；電解液為多硫化物氧化還原電對(duì)電解液;碳量子點(diǎn)的沉積方式為原位沉積方式。2.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述碳量子點(diǎn)為單一的碳量子點(diǎn)或碳量子點(diǎn)與其它類型量子點(diǎn)形成的復(fù)合量子點(diǎn)。3.如權(quán)利要求2所述的電池，其特征在于所述其它類型量子點(diǎn)為金屬硫化物量子點(diǎn)或砸化物量子點(diǎn)。4.如權(quán)利要求3所述的電池，其特征在于所述金屬硫化物量子點(diǎn)為PbS或CuInS2，所述砸化物量子點(diǎn)為CdSe或PbSe。5.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述碳量子點(diǎn)不經(jīng)過任何后處理措施或者經(jīng)過燒結(jié)或表面鈍化的后處理措施。6.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述碳量子點(diǎn)的制備方法為水熱/溶劑熱法、溶膠凝膠法或微波加熱法。7.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述催化活性材料為貴金屬、金屬硫化物或碳材料。8.如權(quán)利要求7所述的電池，其特征在于所述貴金屬為金、銀或鉑;所述金屬硫化物為硫化亞銅、硫化鉛和硫化亞鐵的一種或多種;所述碳材料為活性炭、碳黑、鱗片狀石墨、石墨烯、球形石墨、單壁碳納米管、多壁碳納米管、碳纖維和硬碳材料中的一種或多種。9.如權(quán)利要求8所述的電池，其特征在于所述碳材料為活性炭或單壁碳納米管。10.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述多硫化物氧化還原電對(duì)電解液為二硫化物氧化還原電對(duì)電解液，其濃度為0.1?5M。11.如權(quán)利要求1所述的電池，其特征在于所述光陽極還包括碳量子點(diǎn)敏化的多孔層，所述多孔層材料為Ti02、Nb205、Zn0、Sr0、Si02、Zr02和Al2O3中的一種或多種。
【文檔編號(hào)】H01G9/20GK105845443SQ201610321606
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月16日
【發(fā)明人】李洪光, 張全新, 孫曉峰
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所