用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉量子点敏化剂及制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于太阳电池的In掺杂CdS量子点敏化剂及其制备方法，该方法是将In杂质原子掺杂到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。In掺杂后CdS半导体的吸收光能力增强，电池内部电子空穴的传输路径得到明显优化，使得电子空穴可以更加快速的分离；从而使得电子更有效的注入到宽禁带氧化物半导体的导带中，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】用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉量子点敏化剂及制备方法
【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]面对全球石化能源日益枯竭，取之不尽用之不竭的太阳能可以替代化石能源解决日益严重的能源危机问题。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.,Gratzel5M.，Nature，1991，353，737) oDSSCs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,这种电池成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)。
[0003]但是目前利用量子点敏化的太阳能电池QDSSCs，其短路电流很低，导致其总体性能还低于DSSCs。为了提高QDSSCs的短路电流，开展了一系列对QDSSCs的改性工作，其中PbS、CdS量子点共敏化被广泛研究,并在提高短路电流方面取得一定进展(Antonio Braga,J.Phys.Chem.Lett.2011，2，454-460)。同时对光阳极半导体量子点进行掺杂也是一种常用的有效方法，CN102163502A公开了一种在CdS量子点中掺杂Ca杂质离子的方法，提高T CdS 的导带能级，有利于电子的传输；(Pralay K.Santra, J.Am.Chem.Soc.2012,134,2508-2511)通过SILAR方法对CdS/CdSe中CdS掺杂Mn，取得较好效果。但是，目前通过SILAR方法对PbS/CdS共敏化太阳能电池中的CdS掺杂In作为敏化剂提高QDSSCs的短路电流的工作还未见报道。
【发明内容】
[0004]为了克服上述的缺陷，本发明提供了一种用于太阳电池的In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，从而使得电子空穴可以更加快速的分离，进而提高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:
用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉量子点敏化剂及制备方法，该方法是将In杂质原子掺杂到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。
[0006]所述方法的具体步骤为:
I)配备浓度为0.01M-1M含有PbS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)配备浓度为0.0lM-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20-60min ；
3)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l-60min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
4)将步骤3)得到的光阳极材料浸入步骤2)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，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PbS半导体量子点敏化剂层；
5)配备浓度为0.01M-1M含有CdS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 ；
6)将含有In杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤5)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: 1000；
7)将步骤4)制得的PbS量子点敏化光阳极材料浸入步骤6)制备的溶液中1-lOmin，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干；
8)将步骤7)制得的光阳极材料浸入步骤2)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上分别形成PbS和In掺杂CdS量子点敏化剂层。
[0007]本发明的优点在于:在此以In、Cd原子个数比为1: 10的In原子掺杂到CdS半导体量子点为例来说明。将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，掺杂In后CdS半导体量子点的吸收光能力增强，用PbS量子点与In掺杂CdS量子点组装成量子点敏化太阳能电池，通过优化电池内部电子空穴的传输路径，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、光电转化效率分别为18.28mA、2.06%,比未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的短路电流、效率分别高出了 16.2%,73.1%。
[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为丝网印刷TiO2纳米晶颗粒上沉积PbS量子点与In掺杂CdS量子点薄膜的剖面SEM图；
图2为丝网印刷TiO2纳米晶颗粒上沉积PbS量子点与In掺杂CdS量子点薄膜的SEM
图；
图3丝网印刷TiO2纳米晶颗粒上沉积PbS量子点与In掺杂CdS量子点薄膜的EDS图；图4为未掺杂的CdS量子点与掺杂In的CdS量子点薄膜的紫外可见吸收光谱；其中，A曲线对应于PbS与未掺杂的CdS量子点的紫外可见吸收光谱，B曲线对应于PbS与In掺杂的CdS量子点的紫外可见吸收光谱；
图5为未掺杂的CdS量子点与掺杂In的CdS量子点敏化太阳能电池的光电流转换效率图；其中，A曲线对应于PbS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的光电流转换效率，B曲线对应于PbS与In掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的光电流转换效率；
图6为未掺杂的CdS量子点与掺杂In的CdS量子点敏化太阳能电池的J-V曲线；其中，A对应于PbS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的J-V曲线，B对应于PbS与In掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的J-V曲线；
图7为PbS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池和PbS与掺杂In的CdS量子点敏化太阳能电池的性能参数；
图8为未掺杂的CdS量子点与掺杂In的CdS量子点敏化太阳能电池的EIS交流阻抗谱；其中，A对应于PbS与未掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的EIS谱，B对应于PbS与In掺杂的CdS量子点敏化太阳能电池的EIS谱；
图9为未掺杂的PbS与CdS量子点敏化太阳能电池和PbS与掺杂In的CdS量子点敏化太阳能电池的EIS性能参数。
【具体实施方式】
[0010]用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉量子点敏化剂及制备方法，该方法是将In杂质原子掺杂到CdS半导体量子点中，再与PbS量子点共同作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。
[0011]实施例1
用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉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的Pb(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)将待敏化的光阳极材料TiO2浸入步骤I)制备的Pb(NO3)2溶液中lmin，取出用氮气吹干；
3)将步骤2)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中lmin，取出用氮气吹干，则在光阳极材料上形成PbS半导体量子点敏化剂层；
4)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 ；
5)将InCl3溶液加入步骤4)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中In3+与Cd2+的原子个数比为1:1;
6)将步骤5)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
7)将步骤4)制得的PbS的量子点敏化光阳极材料浸入步骤6)制备的溶液中5min，取出用氮气吹干；
8)将步骤7)制得的光阳极材料浸入步骤4)制备的Na2S溶液中5min，取出用氮气吹干，则在光阳极材料上形成PbS与In掺杂CdS量子点敏化剂层。
[0012]实施例2
用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉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的Pb(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)将待敏化的光阳极材料TiO2浸入步骤I)制备的Pb(NO3)2溶液中lmin，取出用氮气吹干；
3)将步骤2)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中lmin，取出用氮气吹干，则在光阳极材料上形成PbS半导体量子点敏化剂层；
4)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 ； 5)将InCl3溶液加入步骤4)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中In3+与Cd2+的原子个数比为I: 10 ；
6)将步骤5)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
7)将步骤4)制得的PbS的量子点敏化光阳极材料浸入步骤6)制备的溶液中5min，取出用氮气吹干；
8)将步骤7)制得的光阳极材料浸入步骤4)制备的Na2S溶液中5min，取出用氮气吹干，则在光阳极材料上形成PbS与In掺杂CdS量子点敏化剂层。
[0013]实施例3
用于太阳能电池的铟掺杂硫化镉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的Pb(NO3)2溶液和Na2S溶液，放入20_50°C的水浴中30_60min ；
2)将待敏化的光阳极材料TiO2浸入步骤I)制备的Pb(NO3)2溶液中lmin，取出用氮气吹干；
3)将步骤2)得到的光阳极材料浸入步骤I)制备的Na2S溶液中lmin，取出用氮气吹干，则在光阳极材料上形成PbS半导体量子点敏化剂层；
4)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 ；
5)将InCl3溶液加入步骤4)配备的Cd(NO3)2溶液当中，其中In3+与Cd2+的原子个数比为 I: 1000 ；
6)将步骤5)所得的溶液放入30°C的水浴中30min；
7)将步骤4)制得的PbS的量子点敏化光阳极材料浸入步骤6)制备的溶液中5min，取出用氮气吹干；
8)将步骤7)制得的光阳极材料浸入步骤4)制备的Na2S溶液中5min，取出用氮气吹干，则在光阳极材料上形成PbS与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铟掺杂硫化镉量子点敏化剂，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)。
3.根据权利要求1所述的铟掺杂硫化镉量子点敏化太阳能电池，其特征在于所述的电池敏化剂层结构为:PbS/In掺杂的CdS。
4.根据权利要求1所述的量子点敏化剂，其特征在于所述的量子点敏化剂为PbS、In掺杂的CdS。
5.根据权利要求1所述的掺杂量子点敏化剂，其特征在于所述的杂质原子为In。
6.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In杂质原子掺入CdS量子点形成In掺杂的CdS半导体量子点。
7.根据权利要求1所述的敏化太阳能电池，其特征在于所述的In掺杂的CdS半导体量子点沉积在PbS半导体量子点之上，作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。
8.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PbS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)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20-60min ； 3)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l-60min，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干； 4)将步骤3)得到的光阳极材料浸入步骤2)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，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PbS半导体量子点敏化剂层； 5)配备浓度为0.01M-1M含有CdS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 ； 6)将含有In杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤5)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: 1000； 7)将步骤4)制得的PbS量子点敏化光阳极材料浸入步骤6)制备的溶液中1-lOmin，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干； 8)将步骤7)制得的光阳极材料浸入步骤2)制备的阴离子溶液中Ι-lOmin，取出用相应溶剂冲洗之后，用氮气吹干，则在光阳极材料上分别形成PbS和In掺杂CdS量子点敏化剂层。
【文档编号】H01G9/042GK103854873SQ201210520505
【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, 黄宗波, 周洪全 申请人:北京信息科技大学