CN101894689A - 量子点复合敏化太阳能电池及其电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种量子点复合敏化太阳能电池及其电极的制备方法，该太阳能电池包括导电基底(1)、在导电基底(1)生长的宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)，在该宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)表面吸附的具有不同吸光范围的纳米颗粒，纳米颗粒的尺寸小于他们各自的激子波尔半径，电子和空穴的运动受到限制，呈现量子化的特点，形成分别吸附在宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)表面的第一量子点(3)、第二量子点(4)和第三量子点(5)，第一量子点(3)、第二量子点(4)和第三量子点(5)对可见光的强吸收将半导体结构晶膜(2)的光谱响应从紫外区域延伸到可见区及近红外区。该电池提高了总光电转换效率。

Description

量子点复合敏化太阳能电池及其电极的制备方法
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池材料领域，具体涉及一种量子点复合敏化太阳能电池结构及其制备方法。
背景技术
随着经济的迅速发展，人类对能源的需求量越来越大。太阳能作为一种清洁的可再生的能源，引起了人们的广泛关注。各国研究组都开始了对第三代太阳能电池——染料敏化太阳能电池的研究，其光电转化效率超过了11％，并且各项技术指标已经很接近实际应用的要求。
近年来，作为染料的取代物，各种量子点材料被开发应用于太阳能电池中。和染料相比，量子点具有以下的优点：1.较低的成本；2.较高的消光系数以及合适的能带位置，可以把电子传输到载体的导带上；3.量子点的量子效应，使其能带大小可随着量子点尺寸调节控制；4.量子点具有多重激子产生效应，使得量子点的内部电光转化效率可以超过100％。
目前，制备量子点太阳能电池的方法主要有两种：1.原位生长法，把宽禁带半导体电极交替放入两种盐溶液中，在宽禁带半导体表面直接生长量子点。2.化学吸附法，把宽禁代半导体基板直接放入量子点溶液中，通过化学键连接使量子点吸附到宽禁带半导体上。量子点敏化太阳能电池的结构分为单层量子点敏化太阳能电池和双层量子点敏化太阳能电池。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种能够提高量子点敏化太阳能电池的光电转化效率的量子点敏化太阳能电池及其电极的制备方法，在氧化锌纳米棒上吸附三种对光吸收在不同波段的量子点，极大的扩展了此种太阳能电池的光谱吸收范围，并且三种量子点的通带相互匹配，可以加速电子的传输速度，进一步提高太阳能电池的效率。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的量子点复合敏化太阳能电池包括导电基底、在导电基底生长的宽禁带半导体纳米结构晶膜，在该宽禁带半导体纳米结构晶膜表面吸附的具有不同吸光范围的纳米颗粒，纳米颗粒的尺寸小于他们各自的激子波尔半径，电子和空穴的运动受到限制，呈现量子化的特点，形成分别吸附在宽禁带半导体纳米结构晶膜表面的第一量子点、第二量子点和第三量子点，第一量子点、第二量子点和第三量子点对可见光的强吸收将半导体结构晶膜的光谱响应从紫外区域延伸到可见区及近红外区，第一量子点、第二量子点和第三量子点做为光敏化剂。
优选的，宽禁带半导体纳米结构晶膜为生长在导电基底上的氧化锌纳米棒晶膜。
优选的，第一量子点、第二量子点和第三量子点分别为硫化镉量子点，碲化镉量子点，和硫化铅量子点。
本发明还提供了一种制备量子点复合敏化的太阳能电池电极的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：制备氧化锌和硫化镉电极：用水热法在导电基底上生长5-10微米长，直径为50-200纳米的氧化锌纳米棒晶膜；将氧化锌纳米棒晶膜交替放入0.5摩尔硫化钠和硝酸镉溶液5次，原位生长硫化镉量子点于氧化锌纳米棒晶膜表面，得到氧化锌和硫化镉电极；
步骤2：制备氧化锌、硫化镉和碲化镉电极：将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到230-300度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到碲化镉量子点，提纯后溶于四氯化碳中；取含30毫克碲化镉量子点溶液，加入巯基丙酸和环已酮振荡后，过滤洗涤，得到巯基丙酸包裹的碲化镉量子点，再将碲化镉量子点吸附于氧化锌纳米棒晶膜和硫化镉量子点表面，得到氧化锌、硫化镉和碲化镉光电极；
步骤3：制备氧化锌、硫化镉、碲化镉和硫化铅电极：将氧化锌、硫化镉、碲化镉光电极交替放入0.5摩尔硫化钠和硝酸铅溶液2次，得到硫化铅量子点生长于氧化锌纳米棒晶膜、硫化镉量子点和碲化镉量子点表面上，得到氧化锌、硫化镉、碲化镉和硫化铅电极。
有益效果：采用本发明制备的量子点复合敏化太阳能电池，由于在氧化锌纳米棒上吸附三种不同吸光范围的量子点，极大的扩展了电极对太阳光的吸光范围，增加光电子的数目，因而提高了总光电转换效率。结合两种量子点吸附的方法，使得量子点在氧化锌表面结合紧密，有利于提高太阳能电池的稳定性；并且提高量子点在氧化锌表面的吸附数量，增加光电流的大小。并且三种量子点的通带相互匹配，可以加速电子的传输速度，进一步提高太阳能电池的效率。
附图说明
图1采用本发明提供的量子点复合敏化太阳能电池装置图；其中包括：透明导电基板1上生长的氧化锌纳米棒晶膜2，以及纳米棒上吸附的第一复合量子点3、第二复合量子点4、第三复合量子点5，将本发明制备的电极放于硫化纳电解液中6，铂电极7蒸镀于透明导电电极8上与基板1连接即可使用；
图2采用本发明测试得到的采用本发明得到的共吸附量子点敏化太阳能电池光电流-电压曲线曲；其中曲线1-6为按具体实施方案1-6制备的电极组装成太阳能电池后，在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测得的太阳能电池能量转换效率曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明提供的量子点复合敏化太阳能电池，其包括导电基底1、在导电基底1生长的宽禁带半导体纳米结构晶膜2，在该宽禁带半导体纳米结构晶膜2表面吸附的具有不同吸光范围的纳米颗粒，纳米颗粒的尺寸小于他们各自的激子波尔半径，电子和空穴的运动受到限制，呈现量子化的特点，形成分别吸附在宽禁带半导体纳米结构晶膜2表面的第一量子点3、第二量子点4和第三量子点5，第一量子点3、第二量子点4和第三量子点5对可见光的强吸收将半导体结构晶膜2的光谱响应从紫外区域延伸到可见区及近红外区，称量子点为光敏化剂。
宽禁带半导体纳米结构晶膜2为生长在导电基底1上的氧化锌纳米棒晶膜2。
光敏化剂为硫化镉量子点3，碲化镉量子点4，和硫化铅量子点5。
本发明还提供了一种制备量子点复合敏化的太阳能电池电极的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：制备氧化锌和硫化镉电极：用水热法在导电基底1上生长5-10微米长，直径为50-200纳米的氧化锌纳米棒晶膜2；将氧化锌纳米棒晶膜2交替放入0.5摩尔硫化钠和硝酸镉溶液5次，原位生长硫化镉量子点3于氧化锌纳米棒晶膜2表面，得到氧化锌和硫化镉电极；
步骤2：制备氧化锌、硫化镉和碲化镉电极：将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到230-300度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到碲化镉量子点，提纯后溶于四氯化碳中；取含30毫克碲化镉量子点溶液，加入巯基丙酸和环已酮振荡后，过滤洗涤，得到巯基丙酸包裹的碲化镉量子点4，再将碲化镉量子点4吸附于氧化锌纳米棒晶膜2和硫化镉量子点3表面，得到氧化锌、硫化镉和碲化镉光电极；
步骤3：制备氧化锌、硫化镉、碲化镉和硫化铅电极：将氧化锌、硫化镉、碲化镉光电极交替放入0.5摩尔硫化钠和硝酸铅溶液2次，得到硫化铅量子点5生长于氧化锌纳米棒晶膜2、硫化镉量子点3和碲化镉量子点4表面上，得到氧化锌、硫化镉、碲化镉和硫化铅电极。
量子点复合敏化氧化锌纳米棒太阳能电池的制备方法，首先将硫化镉量子点原位自组装到氧化锌纳米棒表面；其次将油酸、氧化镉和碲粉作为原料，用高温注入法合成碲化镉量子点，并将其吸附到氧化锌基板上；最后将硫化铅量子点自组装到氧化锌基板上。由于三种量子点的吸光区域位置太阳光光谱中的不同波段，因而共吸附量子敏化太阳能电池能够产生较宽的太阳光吸收范围，并且三种量子点材料能带相互匹配，有利于进一步提高太阳能电池效率。
步骤1制备ZnO/CdS(氧化锌/硫化镉电极)电极
用水热法在透明导电基板(1)上生长5-10微米的氧化锌纳米棒晶膜(2)，将氧化锌纳米棒晶膜(2)交替浸入到0.5摩尔Cd(NO3)2(硝酸镉)和Na2S(硫化钠)溶液中，每次浸泡时间20分钟，交替次数5次。CdS(硫化镉)量子点原位生长于ZnO(氧化锌)电极上。用酒精冲洗后，放在100度烘干。
步骤2制备ZnO/CdS/CdTe(氧化锌/硫化镉/碲化镉)电极
将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到230-300度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应1-300秒冷却到室温，得到碲化镉量子点，提纯后溶于四氯化碳中。取含30毫克碲化镉量子点溶液，加入巯基丙酸和环已酮振荡后，过滤洗涤，得到巯基丙酸包裹的碲化镉量子点。将ZnO/CdS(氧化锌/硫化镉)电极放入碲化镉量子点溶液中6小时，通过巯基丙酸中的羧基与氧化锌羟基成键，得到ZnO/CdS/CdTe(氧化锌/硫化镉/碲化镉)电极。
步骤3制备ZnO/CdS/CdTe/PbS(氧化锌/硫化镉/碲化镉/硫化铅)电极
将ZnO/CdS/CdTe电极交替放入到0.5摩尔Pb(NO3)2(硝酸铅)和Na2S(硫化钠)溶液中，每次浸泡时间20分钟，交替次数2次。PbS(硫化铅)量子点原位生长于ZnO/CdS/CdTe(氧化锌/硫化镉/碲化镉)电极上，得到ZnO/CdS/CdTe/PbS(氧化锌/硫化镉/碲化镉/硫化铅)电极。
步骤4将制备好的ZnO/CdS/CdTe/PbS(氧化锌/硫化镉/碲化镉/硫化铅)电极组装成太阳能电池，在毫瓦/平方厘米的白光照射下，测其光电转换效率。
具体实施方案1
步骤1用水浴法生长5微米，直径100纳米氧化锌作为基板，交替浸入到0.5摩尔Cd(NO3)2和Na2S溶液中5次，每次浸泡时间20分钟后，用酒精冲洗后，放在100度烘干。
步骤2将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到230度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到2纳米碲化镉量子点。经过巯基丙酸包裹处理后，将ZnO/CdS电极放入碲化镉量子点溶液中6小时，制成ZnO/CdS/CdTe电极。
步骤3将ZnO/CdS/CdTe电极交替放入到0.5摩尔Pb(NO3)2和Na2S溶液中，每次浸泡时间20分钟，交替次数2次。
步骤4在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测得电极的开路光电压0.577伏，短路光电流4.65毫安/平方厘米，填充因子39.4％，能量转换效率1.06％。
具体实施方案2
步骤1用水浴法生长10微米，直径200纳米氧化锌作为基板，交替浸入到0.5摩尔Cd(NO3)2和Na2S溶液中5次，每次浸泡时间20分钟后，用酒精冲洗后，放在100度烘干。
步骤2将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到230度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到2纳米碲化镉量子点。经过巯基丙酸包裹处理后，将ZnO/CdS电极放入碲化镉量子点溶液中6小时，制成ZnO/CdS/CdTe电极。
步骤3将ZnO/CdS/CdTe电极交替放入到0.5摩尔Pb(NO3)2和Na2S溶液中，
每次浸泡时间20分钟，交替次数2次。
步骤4在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测得电极的开路光电压0.610伏，短路光电流4.819毫安/平方厘米，填充因子40.3％，能量转换效率1.12％。
具体实施方案3
步骤1用水浴法生长10微米，直径200纳米氧化锌作为基板，交替浸入到0.5摩尔Cd(NO3)2和Na2S溶液中5次，每次浸泡时间20分钟后，用酒精冲洗后，放在100度烘干。
步骤2将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到250度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到3纳米碲化镉量子点。经过巯基丙酸包裹处理后，将ZnO/CdS电极放入碲化镉量子点溶液中6小时，制成ZnO/CdS/CdTe电极电极。
步骤3将ZnO/CdS/CdTe电极交替放入到0.5摩尔Pb(NO3)2和Na2S溶液中，每次浸泡时间20分钟，交替次数2次。
步骤4在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测得电极的开路光电压0.655伏，短路光电流5.39毫安/平方厘米，填充因子44.1％，能量转换效率1.56％。
具体实施方案4
步骤1用水浴法生长10微米，直径200纳米氧化锌作为基板，交替浸入到0.5摩尔Cd(NO3)2和Na2S溶液中5次，每次浸泡时间20分钟后，用酒精冲洗后，放在100度烘干。
步骤2将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到270度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到4.5纳米碲化镉量子点。经过巯基丙酸包裹处理后，将ZnO/CdS电极放入碲化镉量子点溶液中6小时，制成ZnO/CdS/CdTe电极。
步骤3将ZnO/CdS/CdTe电极交替放入到0.5摩尔Pb(NO3)2和Na2S溶液中，每次浸泡时间20分钟，交替次数2次。
步骤4在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测得电极的开路光电压0.665伏，短路光电流5.85毫安/平方厘米，填充因子44.3％，能量转换效率1.72％。
具体实施方案5
步骤1用水浴法生长10微米，直径200纳米氧化锌作为基板，交替浸入到0.5摩尔Cd(NO3)2和Na2S溶液中5次，每次浸泡时间20分钟后，用酒精冲洗后，放在100度烘干。
步骤2将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到290度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到5.5纳米碲化镉量子点。经过巯基丙酸包裹处理后，将ZnO/CdS电极放入碲化镉量子点溶液中6小时，制成ZnO/CdS/CdTe电极。
步骤3将ZnO/CdS/CdTe电极交替放入到0.5摩尔Pb(NO3)2和Na2S溶液中，每次浸泡时间20分钟，交替次数2次。
步骤4在100毫瓦/平方厘米的白光照射下测得电极的开路光电压0.628伏，短路光电流5.02毫安/平方厘米，填充因子43.8％，能量转换效率1.34％。
参见图2，本发明测试得到的采用本发明得到的共吸附量子点敏化太阳能电池光电流-电压曲线曲。

Claims (4)

1.一种量子点复合敏化太阳能电池，其特征在于：其包括导电基底(1)、在导电基底(1)生长的宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)，在该宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)表面吸附的具有不同吸光范围的纳米颗粒，纳米颗粒的尺寸小于他们各自的激子波尔半径，电子和空穴的运动受到限制，呈现量子化的特点，形成分别吸附在宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)表面的第一量子点(3)、第二量子点(4)和第三量子点(5)，第一量子点(3)、第二量子点(4)和第三量子点(5)对可见光的强吸收将半导体结构晶膜(2)的光谱响应从紫外区域延伸到可见区及近红外区，第一量子点(3)、第二量子点(4)和第三量子点(5)做为光敏化剂。
2.根据权利要求1所述的量子点复合敏化太阳能电池，其特征在于：宽禁带半导体纳米结构晶膜(2)为生长在导电基底(1)上的氧化锌纳米棒晶膜(2)。
3.根据权利要求1所述的量子点复合敏化太阳能电池，其特征在于：第一量子点(3)为硫化镉量子点，第二量子点(4)为碲化镉量子点，第三量子点(5)为硫化铅量子点。
4.一种制备量子点复合敏化的太阳能电池电极的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
步骤1：制备氧化锌和硫化镉电极：用水热法在导电基底(1)上生长5-10微米长，直径为50-200纳米的氧化锌纳米棒晶膜(2)；将氧化锌纳米棒晶膜(2)交替放入0.5摩尔硫化钠和硝酸镉溶液，原位生长硫化镉量子点于氧化锌纳米棒晶膜(2)表面，得到氧化锌和硫化镉电极；
步骤2：制备氧化锌、硫化镉和碲化镉电极：将油酸，十八烯和氧化镉在氮气保护下加热到180度形成镉的前驱溶液，再升温到230-300度，辛基磷酸和碲粉混合后注入到镉的前驱溶液中，反应300秒冷却到室温，得到碲化镉量子点，提纯后溶于四氯化碳中；取含30毫克碲化镉量子点溶液，加入巯基丙酸和环已酮振荡后，过滤洗涤，得到巯基丙酸包裹的碲化镉量子点，再将碲化镉量子点吸附于氧化锌纳米棒晶膜(2)和硫化镉量子点表面，得到氧化锌、硫化镉和碲化镉光电极；
步骤3：制备氧化锌、硫化镉、碲化镉和硫化铅电极：将氧化锌、硫化镉、碲化镉光电极交替放入0.5摩尔硫化钠和硝酸铅溶液2次，得到硫化铅量子点生长于氧化锌纳米棒晶膜(2)、硫化镉量子点和碲化镉量子点表面上，得到氧化锌、硫化镉、碲化镉和硫化铅电极。
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