铜铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于太阳能电池的铜铟掺杂CdS量子点敏化剂及其制备方法，该方法是将Cu杂质原子和In杂质原子分别掺杂到CdS半导体量子点中作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。通过杂质原子的引入，在CdS的禁带间形成了中间能级增加了光响应，从而使得电子空穴可以更加快速的分离，而使得电子更有效的注入到TiO2的导带中，抑制了暗电流的产生，提高了太阳能电池的短路电流和光电转换效率。此方法简单，易于操作，成本低，可大面积制作。
【专利说明】铜铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法
【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太阳能电池的掺杂量子点敏化剂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着全球经济的迅速发展，人口的持续增长以及人类对能源的依赖性逐渐加深，能源危机和环境污染问题已成为21世纪人类面临的首要问题。面对全球石化能源日益枯竭，取之不尽用之不竭的太阳能无疑是人类未来能源发展的首选。因此，以太阳能作为新能源供应来源最受注目，从技术发展过程或未来前瞻性都受到各界密切的关注。通过光电效应直接把光能转化为电能的装置就是太阳能电池。在各类新型太阳能电池中，染料敏化太阳能电池(DSSCs)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.,Gratzel, Μ.，Nature，1991，353，737)。DSSCs 是将吸附了染料的宽禁带半导体纳米晶薄膜作为正极，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-还原电解质形成的。染料分子吸收太阳光能，电子从基态跃迁到激发态，激发态上面的电子快速注入紧邻的TiO2导带，染料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产生光电流。然而，染料的稳定性还有待进一步的提高，而且价格也相对较高，所以采用价格便宜的窄禁带无机半导体量子点作为敏化剂，可以降低电池的成本，提高稳定性，这种电池称为量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)。一般染料吸收一个光子最多产生一个电子，量子点可以由一个高能光子产生多个电子，大大提高量子产率(Nozik, A.J., PhysicaE, 2002,14,115) ο
[0003]但是目前利用量子点敏化的太阳能电池QDSSCs，其总体表现还低于DSSCs。为了提高QDSSCs的光电转换效率，广泛开展了对QDSSCs的改性工作，其中对量子点进行掺杂也是一种常用的有效方法，CN 102163502A公开了一种在CdS量子点中掺杂了 Ca杂质离子的方法，提高了 CdS的导带，改善了 CdS量子点在电极材料表面的吸附状况，抑制了暗电流的产生，提高了太阳能电池的短路电流和光电转换效率。另外，(Pralay K.Santra, J.Am.Chem.Soc.2012，134,2508-2511)通过SILAR方法将Mn2+掺入到CdS量子点中，在CdS的禁带间引入中间能级增加光响应，提高了太阳能电池的短路电流、开路电压和光电转换效率。但是，目前通过SILAR方法对CdS量子点掺杂Cu，然后再对CdS量子点掺杂In共同作为敏化剂来提高太阳能电池的性能参数的工作还未见报道。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明提供了一种用于太阳能电池的铜铟掺杂CdS量子点敏化剂及其制备方法，以此改性CdS半导体量子点的光电特性，在CdS量子点间形成了阶梯能级，使得电子能够更加有效地在量子点间传输，电子空穴可以更加快速有效地分离，进而提高了太阳能电池的短路电流和光电转换效率。
[0005]本发明是通过以下技术方案实施的: 铜铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法，该方法是先将Cu掺杂到CdS中，然后再将In掺杂到CdS中形成量子点敏化剂组装成太阳能电池。
[0006]所述方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阳离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温30-60min ；
2)将含有Cu杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤I)配备的阳离子溶液当中，其中杂质原子与半导体量子点原子个数之比为1: 1-1: 1000；
3)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阴离子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒温30-60min ；
4)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤2)制备的溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤3)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成Cu掺杂的CdS半导体量子点敏化剂层；
6)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阳离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温30-60min ；
7)将含有In杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤6)配备的阳离子溶液当中，其中杂质原子与半导体量子点原子个数的比为1: 1-1: 100；
8)将步骤5)制得的Cu掺杂的CdS量子点敏化光阳极材料浸入步骤7)制备的溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
9)将步骤8)制得的光阳极材料浸入步骤3)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了 Cu掺杂CdS和In掺杂CdS量子点敏化剂层。
[0007]本发明的优点在于:在此以Cu、Cd原子个数比为1: 100，In、Cd原子个数比为I: 5的Cu、In原子分别掺杂到CdS半导体量子点中为例来说明。分别将Cu与In掺杂到CdS量子点中作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池，通过杂质原子的引入，在CdS的禁带间形成了中间能级增加了光响应，从而使得电子空穴可以更加快速的分离，而使得电子更有效的注入到TiO2的导带中，抑制了暗电流的产生，提高了太阳能电池的短路电流和光电转换效率。在lOOmW/cm2的光强条件下，该太阳能电池的短路电流密度为8.45mA/cm2，光电转换效率为1.28%，比未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的短路电流密度和光电转换效率分别提高了 33%和32%。
[0008]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】
[0009]图1为掺杂了 Cu原子和In原子的CdS量子点与未掺杂的CdS量子点的紫外可见吸收光谱图；其中，A曲线对应于未掺杂的CdS量子点的紫外可见吸收光谱，B曲线对应于铜铟掺杂的CdS量子点的紫外可见吸收光谱； 图2为铜铟掺杂CdS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的J-V曲线；其中，C对应于未掺杂的CdS量子点太阳能电池，D对应于铜铟掺杂的CdS量子点太阳能电池；
图3为铜铟掺杂CdS量子点与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的性能参数。
图4为铜铟掺杂CdS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的光电转化效率曲线；其中，E对应于未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池，F对应于铜铟掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池；
图5为铜铟掺杂CdS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的电化学交流阻抗谱；其中，G对应于未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池，H对应于铜铟掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池，插图为电化学交流阻抗谱的等效电路。
【具体实施方式】
[0010]铜铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法，该方法是先将Cu掺杂到CdS中，然后再将In掺杂到CdS中形成量子点敏化剂组装成太阳能电池。
[0011]实施例1
铜铟掺杂硫化镉量子点敏化剂及其制备方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.1M的Cd(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)将CuCl2化合物加入步骤I)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中Cu2+与Cd2+的原子个数比为I: 100 ；
3)将步骤2)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
4)将待敏化的光阳极材料TiO2浸入步骤3)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了 Cu掺杂的CdS半导体量子点敏化剂层；
6)将InCl3W入步骤I)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中In3+与Cd2+的原子个数比为1:5;
7)将步骤6)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
8)将步骤5)制得的Cu掺杂CdS半导体量子点敏化剂层浸入步骤7)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
9)将步骤8)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了 Cu掺杂CdS和In掺杂CdS量子点敏化剂层。
[0012]实施例2
铜铟掺杂硫化镉量子点敏化剂及其制备方法的具体步骤为:
1)配备浓度为0.1M的Cd(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)将CuCl2化合物加入步骤I)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中Cu2+与Cd2+的原子个数比为1: 500 ;
3)将步骤2)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
4)将待敏化的光阳极材料TiO2浸入步骤3)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了 Cu掺杂的CdS半导体量子点敏化剂层；
6)将InCl3W入步骤I)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中In3+与Cd2+的原子个数比为1:5;
7)将步骤6)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
8)将步骤5)制得的Cu掺杂CdS半导体量子点敏化剂层浸入步骤7)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
9)将步骤8)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了 Cu掺杂CdS和In掺杂CdS量子点敏化剂层。
【权利要求】
1.一种用于太阳能电池的铜铟掺杂量子点敏化剂，其特征在于:所述方法是将杂质原子掺杂到半导体量子点中，作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的铜铟掺杂量子点敏化剂，其特征在于所述的半导体量子点为CdS。
3.根据权利要求1所述的铜铟掺杂硫化镉量子点敏化剂，其特征在于所述的掺杂方法为连续离子层吸附与反应(Successive ionic layer adsorption and reaction, SILAR)。
4.根据权利要求1所述的掺杂量子点敏化剂，其特征在于所述的杂质原子为Cu和In。
5.根据权利要求1所述的掺杂量子点敏化剂，其特征在于所述的Cu杂质原子和In杂质原子分别掺入CdS量子点中形成的敏化剂层结构为:Cu掺杂CdS/In掺杂CdS。
6.根据权利要求1所述的量子点敏化太阳能电池，其特征在于所述的铜铟掺杂的CdS半导体量子点作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。
7.根据权利要求1所述的掺杂量子点敏化剂，其特征在于所述方法的具体步骤为: 1)配备浓度为0.0lM-1M含有半导体量子点阳离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温30-60min ； 2)将含有Cu杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤I)配备的阳离子溶液当中，其中杂质原子与半导体量子点原子个数之比为1: 1-1: 1000； 3)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阴离子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒温30-60min ； 4)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤2)制备的溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干； 5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤3)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成Cu掺杂的CdS半导体量子点敏化剂层； 6)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阳离子的可溶性盐溶液，放入20-50°C的水浴中恒温30-60min ； 7)将含有In杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤6)配备的阳离子溶液当中，其中杂质原子与半导体量子点原子个数的比为1: 1-1: 100； 8)将步骤5)制得的Cu掺杂的CdS量子点敏化光阳极材料浸入步骤7)制备的溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干； 9)将步骤8)制得的光阳极材料浸入步骤3)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了 Cu掺杂CdS和In掺杂CdS量子点敏化剂层。
【文档编号】H01G9/042GK103854870SQ201210520487
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年11月29日
【发明者】邹小平, 周洪全, 黄宗波, 滕功清 申请人:北京信息科技大学