CN103107287A - 一种杂原子掺杂的碳量子点在太阳能电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了关于杂原子掺杂的碳量子点在太阳能电池中的应用。所述的碳量子点含有N、S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te等杂原子中的一种或几种，其吸收光谱波长在300~850nm范围内。研究中发现，发现这些杂原子掺杂的碳量子点在有机太阳能电池和量子点敏化太阳能电池中具有高效的光电转换性能，在能源领域显示出巨大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种杂原子掺杂的碳量子点的制备及其应用技术领域，具体来讲，涉及一种杂原子掺杂的碳量子点在太阳能电池中应用。
背景技术
环境和能源问题无疑是当前全球面临的两大问题，引起了科学界广泛而深刻的关注。太阳能是未来最有希望的能源之一，是一种取之不尽、用之不竭的无污染洁净能源。将太阳能直接转换为电能和热能造福于人类一直是科学家的追求目标。因而自从1954年第一块单晶硅太阳能电池问世以来，人们就对利用半导体太阳能电池解决将来由于矿物燃料枯竭而引起的能源危机寄予了很大希望。目前，各种类型的太阳能电池已经广泛地应用在民用以及军工项目中。然而，由于现有的太阳能电池制造工艺上存在原料成本高、工艺复杂或者转换效率低等问题，限制了太阳能电池更好的应用，使得这个领域的研究具有很大的潜在价值。
目前，硅基太阳能电池已经实现产业化以外，太阳能电池还主要分为无机太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池三大类。硅太阳能电池存在诸如光电转换理论效率相对较低和成本较高的问题。GaAs、CdTe、Cu(In,Ga)Se2等无机太阳能电池虽然降低了生产成本和材料成本，但是In,Ga等材料储量稀少以及Cd离子等重金属原子的自身毒性限制了此类太阳能在民用领域的应用。有机聚合物薄膜太阳能电池以聚合物代替无机材料是太阳能电池研究的一个新的方向。有机太阳能电池由于其材料来源广泛、制作容易、成本低、柔性好等优势，对太阳能电池的推广具有重要意义。但有机太阳能电池的研究才刚刚开始，电池的效率和稳定性都太低，无法和其他太阳能电池相比，要发展实用化，还需要进一步的研究。染料敏化太阳能电池(DSSC)，是近年来新开发的一种低成本且高光电转换效率的太阳能电池。相对于结晶硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池的最大竞争优势在于制备简单、原料便宜、污染性低、不需要大型无尘设备。但是，染料容易发生光解，敏化剂吸收光谱的范围比较窄等问题限制了染料敏化太阳能电池的发展。因此，寻找一种新型的光敏化材料代替染料，已经成为近来太阳能电池的一个研究热点。量子点材料同传统染料相比，具有价格低廉、吸收范围宽广和光稳定性好等诸多优点，使其很有希望在染料敏化太阳能电池中代替染料作光敏剂。
碳量子点是碳纳米材料家族中的新成员,具有吸收光谱宽、抗光漂白性能好、无毒性、易于功能化、能够高产率制备等特性，有望在光电子器件等技术领域显示其广阔的应用前景[Angew.Chem.Int.Ed,2010,49,6726-6244;Chem.Comm.2012,48.3686-3705；]。目前的研究表明，碳量子点在太阳能电池中的应用研究还刚刚开始，比如北京科技大学研究组将发绿色荧光的碳量子点用作新的电子受体材料构筑了有机太阳能电池，其光电转化效率为1.28%[Adv.Mater.2011,23，776–780]；加拿大多伦多大学的研究人员将碳量子点用作光敏剂构建量子点敏化的太阳能电池，其光电转化效率仅为0.13%；美国印第安娜大学的研究人员也作了类似的工作，但是其光电转化效率远远达不到实际应用的需要[Nano Lett.2010,10,1869–1873]。因此，尚需开展大量的研究工作以促进基于碳量子点的高性能太阳能电池的研制。杂原子掺杂的碳量子点可以有效地调节量子点的特性包括电子性能和表面化学性质[EnergyEnviron.Sci.,2012,5,8869–8890]。因此，探索开发基于杂原子掺杂的碳量子点的太阳能电池等光电器件有望突破碳量子点太阳能电池光电转换效率低的瓶颈，对解决能源危机具有及其重要的意义。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种杂原子掺杂的碳量子点作为新型电子受体/给体材料在构建有机聚合物太阳能电池中的应用。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种杂原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在构建量子点敏化太阳能电池中的应用。
本发明所述一种杂原子掺杂的碳量子点，其制备方法包括如下步骤：
1)向共轭聚合物中加入0.01～1000倍共轭聚合物质量、0～1M的酸或碱的水溶液，混合均匀，得到反应液；
2)将反应液加热到100℃～500℃，反应1～48小时；
3)反应完后自然冷却，收集反应液，分离提纯，得到杂原子掺杂的碳量子点。
优选地，所述共轭聚合物选自具有以下结构式的共轭聚合物中的一种或多种：
式中：
结构式PT中，m、n和k为0～10000的自然数，m、n和k不同时为0；结构式PPV、PF、PPP、PE中，n为1～10000的自然数；
其中：Ar1为呋喃，噻吩，硒吩，吡咯，吡啶，苯，萘，蒽，芘，吲哚，香豆素，荧光素，咔唑，罗丹明，氰基染料，芴或喹啉；
其中：Ar2为下列结构式中的一种：
其中：X，Y，Q，E，F，分别或同时独立的为O、N、S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te、N-R5或Si-R6R7；
其中：Z，G，R1，R2，R3，R4，R5，R6，R7，R8，R9，R10，R11，R12，R13，R14，R15分别或者同时独立为氢原子、1～18个碳的烷基、羟基、巯基、羧基、氨基、酰胺、酸酐、氰基、烯基、炔基、芳基、酯基、醚基、季铵盐、磺酸盐、磷酸盐或聚乙二醇基。
优选地，步骤1）中，所述酸选自下列酸中的一种或多种：盐酸、次氯酸、高氯酸、氢溴酸、次溴酸、高溴酸、碘酸、次碘酸、高碘酸、氢氟酸、硼酸、硝酸、亚硝酸、醋酸、柠檬酸、硫酸、次硫酸、碳酸、磷酸、焦磷酸、次磷酸。
优选地，步骤1）中，所述碱选自下列碱中的一种或多种：碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、磷酸盐、磷酸一氢盐、磷酸二氢盐、氨水。
优选地，步骤2)中，所述反应液加热是在油浴加热、微波反应器、超声波反应器或水热反应釜中进行。
优选地，步骤2）中，反应温度120℃～500℃,反应时间为5～48小时。
为解决上述第一个技术问题，本发明提供一种杂原子掺杂的多功能碳量子点作为电子受/给体材料在构建有机聚合物太阳能电池中的应用。
优选地，包括如下步骤：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐按照重量比1：5～50混合后，旋涂在氧化铟锡透明玻璃上作为空穴传输辅助层；将有机聚合物和杂原子掺杂的碳量子点按照重量比2～50：1溶解在氯苯溶液中旋涂到空穴传输辅助层上用作有源层，用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了杂原子掺杂的碳量子点作为新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。
优选地，所述有机聚合物包括3-己基噻吩、3-己基噻吩衍生物、聚对苯亚乙烯、聚对苯亚乙烯衍生物、聚乙炔、聚乙炔衍生物、、聚[2,3-双-（3-辛烷氧基苯基）喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基]、聚[2,3-双-（3-辛烷氧基苯基）喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基]衍生物或富勒烯；优选地，所述富勒烯包括C60PCBM、C60PCBM衍生物、C70PCBM、C70PCBM衍生物。
为解决上述第二个技术问题，本发明一种杂原子掺杂的多功能碳量子点作为新型光敏剂在构建量子点敏化太阳能电池中的应用。
优选地，包括如下步骤：将二氧化钛或氧化锌、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上，升温到≥500℃除去薄膜内部的有机物；将加热除去有机物的导电玻璃作为电极，浸入2～200mg/mL杂原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡≥48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池；在电池中滴加电解液完成整个电池，构成碳量子点敏化太阳能电池。
优选地，所述的二氧化钛、氧化锌为纳米粒子、纳米球/空心球、纳米棒、纳米线、纳米管、纳米线/棒/管阵列等纳米结构。
本发明具有如下有益效果：
1）本发明合成的杂原子掺杂的碳量子点是以共轭聚合物为前驱物经过高温碳化过程制备得到的，通过改变共轭聚合物的结构，可以得到含有N、S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te等杂原子中的一种或几种的碳量子点，且表面带有不同官能团（铵盐、羧基、氨基、醛基、巯基等）、易修饰；
2）本发明制备的杂原子掺杂的碳量子点，吸收光谱宽（300～850nm），在光照条件下，产生活性氧的量子产率高达70%～200%,可以作为新一代光敏剂构建量子点敏化的太阳能电池，其光电转换效率可达3%以上；
3）本发明制备的杂原子掺杂的碳量子点可用作新型受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池，光电转换效率高，均可达5%以上。
附图说明
图1为本发明所合成的杂原子掺杂的碳量子点的吸收光谱；
图2为本发明所合成的杂原子掺杂的碳量子点的透射电镜图；
图3为本发明所合成的杂原子的碳量子点用于染料敏化太阳能电池中示意图；
图4为本发明所合成的杂原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池示意图；
图5本发明太阳能电池结构示意图。
具体实施方式
实施例1
一种N、P双原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将10mg聚合物PPV1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M盐酸水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在250℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到的N、P双原子掺杂的碳量子点。
上述N、P双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和N、S双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了N、S双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述N、P双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米粒子、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL N、P双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PPV1的结构式如下：
实施例2
一种S、N双原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将10mg聚合物PT1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为5M硫酸水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入微波反应器，反应温度控制在150℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到S、N双原子掺杂的碳量子点
上述S、N双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚C60PCBM和S、N双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了S、N双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述S、N双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将氧化锌纳米管、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL S、N双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT1的结构式如下：
实施例3
一种Se、N双原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将5mg聚合物PT2固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为1M氢氧化钾水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入超声反应器，反应温度控制在250℃，反应时间36小时，冷却后分离提纯，得到Se、N双原子掺杂的碳量子点。上述Se、N双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和Se、N双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了Se、N双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述Se、N双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米管、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mLSe、N双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT2的结构式如下：
实施例4
一种S、N、P三原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将10mg聚合物PT5和10mg聚合物PPP1混合的固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M磷酸水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在200℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到S、N、P三原子掺杂的碳量子点。
上述S、N、P三原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和S、N、P双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了S、N、P原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述S、N、P三原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将氧化锌纳米管、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL S、N、P三原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PPP1和PT5的结构式如下：
实施例5
一种Se、N双原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将5mg聚合物PT8固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为1M氢氧化钾水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在250℃，反应时间36小时，冷却后分离提纯，得到Se、N双原子掺杂的碳量子点。
上述Se、N双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将C70PCBM和Se、N双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了Se、N双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述Se、N双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米管、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL Se、N双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡60小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT8的结构式如下：
实施例6
一种N原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将30mg聚合物PT6固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化钾水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在210℃，反应时间10小时，冷却后分离提纯，得到N原子掺杂的碳量子点。
上述N原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和N原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了N原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述N原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米管、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL N原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT6的结构式如下：
实施例7
N、S双原子掺杂的水溶性碳量子的制备方法，包括以下步骤：
将50mg聚合物PF1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为5M氢氧化钠水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入微波反应器，反应温度控制在250℃，反应时间48小时，冷却后分离提纯，得到N、S双原子掺杂的碳量子点。
上述S、N双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和S、N双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了S、N双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述S、N双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将氧化锌纳米管、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL S、N双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PF1的结构式如下：
实施例8
P原子掺杂的水溶性碳量子的制备方法，包括以下步骤：
将10mg聚合物PPP1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M磷酸水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在500℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到P原子掺杂的碳量子点。
上述P原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和P原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了P原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述P原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将氧化锌纳米线、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL P原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PPP1的结构式如下：
实施例9
Se原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将20mg聚合物PT3固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5mM氢氧化钾水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在200℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到Se原子掺杂的碳量子点。
上述Se原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和Se原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了Se原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述Se原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米线、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mLSe原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡50小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT3的结构式如下：
实施例10
S、Si双原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将10mg聚合物PT4固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化钾水溶液，混合均匀；将混合均匀的反应液转入微波反应器，反应温度控制在250℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到S、Si双原子掺杂的碳量子点。上述S、Si双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和S、Si双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了S、Si双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述S、Si双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将氧化锌纳米棒、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL S、Si双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT4的结构式如下：
实施例11
Se、N、P三原子掺杂的碳量子点的制备方法，包括以下步骤：
将10mg聚合物PT3和10mg聚合物PPV1固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化钠水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入圆底烧瓶,油浴加热，反应温度控制在250℃，反应时间12小时，冷却后分离提纯，得到Se、N、P三原子掺杂的碳量子点
上述Se、N、P三原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和Se、N、P三原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了Se、N、P三原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述Se、N、P三原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米棒、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL Se、N、P三原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PPV1和PT3的结构式如下：
实施例12
S、As双原子掺杂的碳量子点的制备方法,包括以下步骤：
将10mg聚合物PT7固体粉末放入烧杯，加入40mL浓度为0.5M氢氧化钠水溶液,混合均匀；将混合均匀的反应液转入水热反应釜，反应温度控制在180℃，反应时间24小时，冷却后分离提纯，得到S、As双原子掺杂的水溶性荧光碳量子点。
上述S、As双原子掺杂的碳量子点作为新型电子受/给体材料构建有机聚合物太阳能电池上的应用：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩（PEDOT）和聚苯乙烯磺酸盐（PSS）按照重量比1：25混合后，旋涂在氧化铟锡（ITO）透明玻璃上，厚度约30纳米，作为空穴传输辅助层。将聚3-己基噻吩（P3HT）和S、As双原子掺杂的碳量子点按照重量比10：1-溶解在氯苯溶液中，在每分钟2000转速条件下，旋涂到空穴传输辅助层上，厚度为70-90纳米，用作有源层，最后用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了S、As双原子掺杂的碳量子点用作新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。
上述S、As双原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在量子点敏化太阳能电池中的应用：将二氧化钛纳米棒阵列、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上。将FTO导电玻璃连接的二氧化钛薄膜升温到500℃并保温120分钟，除去薄膜内部的有机物。经过500℃烧结过后的导电玻璃电极冷却到80℃，浸入50mg/mL S、As双原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池。在电池中滴加电解液完成整个电池，测量电池在有光照和无光照条件下的伏安（I-V）特性。聚合物PT7的结构式如下：
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种杂原子掺杂的多功能碳量子点作为新型电子受/给体材料在构建有机聚合物太阳能电池中的应用，
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：将导电聚合物聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐按照重量比1：5～50混合后，旋涂在氧化铟锡透明玻璃上作为空穴传输辅助层；将有机聚合物和杂原子掺杂的碳量子点按照重量比2～50：1溶解在氯苯溶液中旋涂到空穴传输辅助层上用作有源层，用真空蒸镀机蒸镀上Al电极，140℃退火10分钟后，制成了杂原子掺杂的碳量子点作为新型电子受体材料构建的有机聚合物太阳能电池。
3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：所述有机聚合物包括3-己基噻吩、3-己基噻吩衍生物、聚对苯亚乙烯、聚对苯亚乙烯衍生物、聚乙炔、聚乙炔衍生物、聚[2,3-双-（3-辛烷氧基苯基）喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基]、聚[2,3-双-（3-辛烷氧基苯基）喹喔啉-5,8-二基-交替-噻吩-2,5-二基]衍生物或富勒烯。
4.根据权利要求3所述的应用，其特征在于：优选地，所述富勒烯包括C60PCBM、C60PCBM衍生物、C70PCBM、C70PCBM衍生物。
5.一种杂原子掺杂的多功能碳量子点作为新型敏化剂在构建量子点敏化太阳能电池中的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，包括如下步骤：将二氧化钛或氧化锌、聚乙二醇20000和水按照重量比25：10：65的比例混合制成白色均匀粘稠的浆料，旋涂到表面清洁的FTO导电玻璃上，升温到≥500℃除去薄膜内部的有机物；将前述加热除去有机物的导电玻璃作为电极浸入2～200mg/mL杂原子掺杂的碳量子点水溶液中，在室温避光条件下浸泡≥48小时，然后取出与热蒸发制备得到的铂电极组装成电池；在电池中滴加电解液完成整个电池，构成碳量子点敏化太阳能电池。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于：所述的二氧化钛或氧化锌为纳米粒子、纳米球、纳米空心球、纳米棒、纳米线、纳米管、纳米线或纳米管阵列。
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| Zhao et al. | Controllable photoelectric properties of carbon dots and their application in organic solar cells | |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130515 |