CN103594248A

CN103594248A - 一种Bi2S3量子点敏化TiO2的太阳能电池的制备方法

Info

Publication number: CN103594248A
Application number: CN201310588867.9A
Authority: CN
Inventors: 高义华; 楚亮; 张军; 向法午; 张翔晖; 苏俊
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-11-20
Filing date: 2013-11-20
Publication date: 2014-02-19

Abstract

本发明公开了一种Bi₂S₃量子点敏化TiO₂太阳能电池的制备方法，该方法具体步骤如下：（1）刀刮法在FTO玻璃上刮涂Ti0₂浆料；（2）退火得到Ti0₂多孔薄膜；（3）在Ti0₂多孔薄膜上，用连续离子层反应与吸收制备Bi₂S₃量子点，形成电极；（4）在所述电极中部滴上电解液，然后利用溶液扩散作用让电解液扩散到整个电极工作部分；（5）将表面镀了铂的FTO玻璃扣在工作电极上，镀铂金的一面朝向工作电极，用夹子将工作电极与铂金对电极夹住，即可制成太阳能电池。本发明公开了制备Bi₂S₃量子点的制备方法以及上述Bi₂S₃量子点作为敏化材料应用于量子点敏化太阳能电池。本发明的Bi₂S₃量子点敏化TiO₂太阳能电池采用无毒的Bi₂S₃量子点作为敏化剂来制备量子点敏化太阳能电池。

Description

一种Bi2S3量子点敏化TiO2的太阳能电池的制备方法

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种量子点的制备，及制备的量子点应用于量子点敏化太阳能电池。

背景技术

太阳能的有效利用，是解决能源危机和全球气候变暖两大问题的迫切要求。量子点敏化太阳能电池是作为新型的太阳能电池是以量子点敏化光阳极而实现光电转化，其理论上效率可达44%。量子点敏化太阳能电池相比于染料敏化太阳能电池主要具有以下优点：量子点尺度可调节；较大的消光系数和固有偶极；量子产额可大于1等。

在量子点敏化太阳能电池中，目前作为敏化剂研究最多的主要有Cd系（CdS、CdSe、CdTe）、Pb系（PbS、PbSe、PbTe）、In系（InP、InAs）等窄带半导体。但Cd，Pb均是有毒物质，对环境不友好，而In价格昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提出一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，通过在TiO₂多空薄膜上利用连续离子层反应与吸收的方法，制备出Bi₂S₃量子点，从而能够制备出Bi₂S₃量子点应用于量子点敏化太阳能电池，Bi₂S₃量子点敏化剂不是有毒物质，在实际应用中会能够有效避免破坏环境。

为实现本发明的目的所采用的技术方案如下：

一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，用于制备以Bi₂S₃量子点作为敏化剂的量子点敏化太阳能电池，该方法具体步骤如下：

（1）在FTO玻璃上刮涂Ti0₂浆料；

（2）退火得到Ti0₂多孔薄膜；

（3）在得到的Ti0₂多孔薄膜上，用连续离子层反应与吸收制备Bi₂S₃量子点，形成电极；

（4）在所述电极中部滴上电解液，然后利用溶液扩散作用让电解液扩散到整个电极工作部分；

(5)将表面镀了铂的FTO玻璃扣在工作电极上，镀铂金的一面朝向工作电极，用夹子将工作电极与铂金对电极夹住，即可制成太阳能电池。

本发明中，电解液优先是通过12克的Na₂S·9H₂O置于50mL的去离子水中溶解形成；

本发明中，优先用塑料薄膜把片子的空白地方封住，防止短路；

本发明中，优先用毛细滴管在电极中间滴上一滴事先配制好的电解液，然后利用溶液扩散作用让电解液扩散到整个电极工作部分；

本发明还公开了一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池。

对制备的样品，通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）、光电子能谱仪（EDS）等表征方法，证明在TiO₂多孔薄膜上原位生长了Bi₂S₃量子点。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）采用无毒材料Bi₂S₃制备量子点敏化太阳能电池，避免了重金属对环境的破坏；

（2）采用连续离子沉积和反应制备量子点，可以有效的控制量子点的尺度，从而获得合理的器件优化参量。

附图说明

图1为TiO₂衬底上生长了Bi₂S₃后的TEM图。

图2为TiO₂衬底上生长了Bi₂S₃后的EDS图。

图3中，TiO₂衬底上生长了不同沉积Bi₂S₃次数的紫外-可见光吸收。从图中可以看出：（1）随着沉积次数的增加，样品吸收光谱发生红现象，这是由于Bi₂S₃颗粒大小随着沉积次数的增加逐渐变大。（2）样品对可见光的吸收量不断的增加，这是由于衬底上Bi₂S₃沉积量的增加。

图4中，不同沉积Bi₂S₃次数下的电池电流-电压曲线图。从图中可以看出单纯的TiO₂阳极在模拟太阳光的光照情况下，产生的短路电流和开路电压都很小，随着Bi₂S₃在TiO₂上面沉积次数的增加，电池产生的短路电流先增大，但是到沉积7次以后反而减小。在模拟太阳光的光照下产生的开路电压几乎一样。

图5（a）电压-时间，图（b）电子寿命。从图5（a）可以看出，在光照的情况下，在TiO₂薄膜上沉积3次、5次、7次Bi₂S₃所制备的电池的开路电压基本一致，大约为（300±40mV。但关掉光源以后，电压的减少趋势明显不一样。从图5（b）可以看出，在TiO₂上沉积Bi₂S₃次数为3次的时候，开路电压从光照时候的0.25V降低到关闭光源以后电压达到0.1V所用的时间最长，TiO₂上沉积Bi₂S₃次数的增加，开路电压从光照时候的0.25V降低到关闭光源以后电压达到0.1V所用的时间不断的减短，说明电子寿命在减短，即电子空穴复合得越来越厉害。这是由于随着Bi₂S₃沉积次数的增加，增加的电子-空穴的复合中心。

图6中，电流-时间测试（I-t）。从图中可以看出：1、在光照的情况下，无论是基于TiO₂还是基于在TiO₂生长了5次Bi₂S₃量子点组装的太阳能电池的电流密度强度马上增大，说明光照，产生了光生电流。2、基于在TiO₂生长了5次Bi₂S₃量子点组装的太阳能电池比单纯基于TiO₂组装的太阳能电池在光照情况下，产生的电流密度大的多，几乎是后者的5倍。进一步证明了Bi₂S₃可以作为光敏剂来敏化TiO₂光阳极。而且敏化的效果很好，因此Bi₂S₃是一种很有前景的光敏化材料。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中的一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，制备工艺步骤如下：

（1）在FTO玻璃上刮涂Ti0₂浆料。

首先用玻璃刀将导电玻璃切成一定大小的片子，分别用用丙酮超声、乙醇、去离子水超声清洗干净，然后用氮气吹干待用。

其次，在干净的FTO玻璃上的两端贴上一层透明胶带（胶带厚度本实施例中优选大约为50um），将调制好了的TiO₂浆料（TiO₂颗粒直径大约为20nm）用医用手术刀刮涂在FTO玻璃上，撕下FTO边缘的透明胶带。

另外，本发明的该步骤中，对于FTO玻璃的处理也不限于上述实施例中的具体过程，例如切割大小、清洗时间和清洗液的选择等都可以根据实际需要进行具体选择。

（2）退火得到Ti0₂多孔薄膜.

将Ti0₂光阳极首先在空气中自然干燥一段时间，然后将其放入马弗炉中，缓慢的升温到450℃（缓慢升温可以防止由于升温过快导致Ti0₂多孔薄膜出现太多的裂纹而影响其效率），然后在450℃下保温半个小时，最后将温度自然降至室温，待用。

本发明的该步骤中，对于Ti0₂光阳极处理也不限于上述实施例中的具体过程，例如加热温度并不限于450℃，可以在450～500℃范围内都是可行的，保温时间和措施也可以根据具体需要进行选择，例如退火时间可以为半小时左右。

（3）在Ti0₂多孔薄膜上，用连续离子层反应与吸收制备Bi₂S₃量子点。

配制相同浓度的硝酸铋和乙二胺四乙酸混合水溶液，记为溶液A；配制相同浓度的硫代乙酰胺水溶液并且用氨水将溶液的PH值调11，记为溶液B；将TiO₂插入溶液A中1min，取出，用去离子水冲洗，将TiO₂衬底插入溶液B中1min，然后用去离子水冲洗，整个过程为一次沉积。

一般来说，沉积次数根据电池的光电转化效率来确定，本实施例中优选沉积5次，即在沉积次数5次后即可以满足Bi₂S₃量子点充分的包覆TiO₂，更多的沉积次数虽然可以继续增加Bi₂S₃量子点的含量，进而增加电池对可见光的吸收能力，但同时电子-空穴对的复合也越来越严重，这样反而降低了电池的光电转化效率。但不发明的方法中并不限定于此，可根据具体需要确定沉积次数。

另外，所述进行沉积所用的溶液的配置，也并不限于本实施例中的种类和含量，例如溶液A中的硝酸铋和乙二胺四乙酸的浓度并不限定为0.06M，，溶液B中的硫代乙酰胺水溶液的浓度也不限定为上述值，其PH值也不限于此。

TiO₂衬底插入溶液A和Ｂ的时间也可以根据实际需要具体确定。

（5）用塑料薄膜把片子的空白地方封住，防止短路。

（6）用毛细滴管在电极中间滴上一滴事先配制好的电解液，然后利用溶液扩散作用让电解液扩散到整个电极工作部分。

电解液本实施例中是由12克的Na₂S·9H₂O，置于50mL的去离子水中溶解制备而成的，当然并不限于上述含量和配比，也可以参入一定量的S单质。

（7）将表面镀了Pt的FTO玻璃扣在工作电极上，镀铂金的一面朝向工作电极，用夹子将工作电极与铂金对电极夹住，组装成为简单的太阳能电池。

利用以上所述的详细的制备工艺步骤，制备的种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池，通过XRD，TEM，EDS等表征方法，证明了在TiO₂多孔薄膜上原位生长了Bi₂S₃量子点。随着Bi₂S₃量子点沉积次数的增加，电极的颜色开始由无色变成黄色，然后再由黄色变成黑棕色。随着Bi₂S₃量子点沉积次数的增加，Bi₂S₃量子点颗粒大小不断增大，对可见光的吸收量也增加。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，用于制备以Bi₂S₃量子点作为敏化剂的量子点敏化太阳能电池，该方法具体步骤如下：

（1）在FTO玻璃上刮涂Ti0₂浆料；

（2）退火得到Ti0₂多孔薄膜；

2.根据权利要求1所述的一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中的退火具体为：

将器件首先在空气中自然干燥一段时间，然后将其放入马弗炉中，缓慢的升温到450℃，然后在450℃下保温30min，最后将温度自然降至室温。

3.根据权利要求1或2所述的一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述所述的电解液为Na₂S。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，所述Ti0₂浆料利用医用手术刀刮涂在FTO玻璃上。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于，在滴电解液前，为防止测试过程中短路，可用塑料薄膜把电极周围的空白地方封住。

6.利用权利要求1-5中任一项所述的方法所制备的Bi₂S₃量子点敏化太阳能电池。