CN107731538A - 一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极及其制备方法和应用 - Google Patents

一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极及其制备方法和应用。掺铒碳量子点(Er‑CQDs)采用水热法制备。CdS量子点(CdS QDs)通过连续离子层吸附和反应(SILAR)方法沉积在Er‑CQDs/TiO2薄膜上。Er‑CQDs在光阳极的存在通过X射线能量分析光谱和透射电子显微镜证实。用电化学方法研究Er‑CQDs的引入对硫化镉量子点敏化太阳能电池光电性能的影响，结果显示Er‑CQDs具有拓宽CdS QDs的光吸收范围和电子传输的功能，从而能够提高CdS QDSSCs的光伏性能。本发明的新型光阳极可广泛应用于太阳能电池，尤其是量子点敏化太阳能电池领域，前景广阔。

Description

一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于量子点敏化太阳能电池领域，尤其是在硫化镉量子点敏化太阳能电池上的应 用。
背景技术
随着人类社会的发展，人类对能源的需求不断增大，而在对传统能源的使用时造成了严 重的能源危机和环境污染等问题。人类迫切需要寻找一种可持续的清洁能源。因为太阳能是 一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，因此，将太阳能转化为其他形式的能源可以解决人类 对能源的巨大需求，从而解决环境污染问题。太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的器件。 在各类太阳能电池中，量子点敏化太阳能电池因其具有独特的优越性而备受关注，被认为将 是下一代太阳能电池。
量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)具有独特的电子和光学性能、低成本、简单的制作工 艺等优点。此外，量子点敏化太阳能电池的理论能量转换效率能够达到44％，超过了基于热 电子提取和多激子产生效益的Shockley–Queisser极限。到目前为止，已经有许多量子点被 运用在量子点敏化太阳能电池上，如：CdS、PdS、CdTe等。在这些敏化剂中，CdS具有2.4eV 禁带宽度能够吸收太阳光中的大部分可见光、更高的光子电子转化效率、简单的合成过程等 优点。这些优点使CdS成为一个优良的吸光材料。此外，CdS的导带位置高于TiO2，这有利 于光生电子从CdS注入到TiO2上。近些年来，CdS量子点敏化太阳能电池(CdSQDSSCs) 的能量转换效率已经有很大的提高。然而，目前基于TiO2光阳极的CdS量子点敏化太阳能电 池的能量转换效率仍然远远低于它的理论能量转换效率。有两个因素导致了这一结果，其一 是CdS的吸光能力和范围小，另一因素是电荷分离与收集效率低。
发明内容
为了能够同时解决CdS QDs的吸光能力弱、吸光范围窄以及电荷分离与收集效率低的问 题，本发明提供了一种将掺铒碳量子点(Er-CQDs)引入硫化镉量子点敏化太阳能电池光阳 极的方式。引入Er-CQDs到光阳极中可以大大提高硫化镉量子点敏化太阳能电池的光伏性能。
本发明采用的技术方案是：一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极，所述的Er掺杂碳 量子点辅助的新型光阳极是CdS/Er-CQDs/TiO2。
一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极的制备方法，包括如下步骤：将镀有 Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO玻璃依次经在硝酸镉溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min 的离子层吸附处理和在Na2S溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min的反应处理； 离子层吸附处理和反应处理重复6-8次；所述的硝酸镉溶液由硝酸镉、水和甲醇混合制成； 所述的Na2S溶液由Na2S、水和甲醇混合制成。
所述的镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO玻璃的制备方法包括如下步骤：将镀有TiO2薄膜 的FTO玻璃浸入Er-CQDs的水溶液中，在室温下静置24h，50℃干燥。
所述的Er-CQDs的制备方法包括如下步骤：采用回流法和水热法制备，将三乙四胺六乙 酸和氧化铒溶于去离子水中，加热回流至溶液透明，调节溶液pH至5，再将溶液浓缩，最后 将浓缩溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，加热至180℃，保持10h，冷却至室温。
所述的镀有TiO2薄膜的FTO玻璃的制备方法包括如下步骤：采用溶胶凝胶前驱体和旋 涂法制备，将去离子水、浓硝酸和无水乙醇混合均匀，然后逐滴加入钛酸四丁酯的乙醇溶液， 搅拌陈化5h，得到的透明二氧化钛溶胶以1800转/分钟，在FTO玻璃上旋涂20s，80℃干燥， 冷却至室温，重复旋涂、干燥、冷却步骤2-4次后，转入马弗炉550℃煅烧1h。
上述的Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极在量子点敏化太阳能电池上的应用。方法如 下：将多硫化物电解液滴加在CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜上，接着 将Cu2S对电极盖在滴有适量多硫化物电解液的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜上形成一个三明治结 构，用胶膜将光阳极和对电极隔离开。
所述的Cu2S对电极的制备方法包括如下步骤：通过化学浴沉积法制备，将CuSO4·5H2O 溶于无氧去离子水中，搅拌至完全溶解后加入Na2S2O3·5H2O，得混合液，将FTO玻璃的导 电面朝下倾斜浸入混合液中，保持90℃水浴1h后，用去离子水冲洗，空气中干燥。
所述的多硫化物电解液是将Na2S，S粉和KCl溶解在甲醇和水的混合溶液中，制备而成。
上述新型CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极，多硫化物电解液和Cu2S对电极组装成太阳能电池 器件，在太阳光照射下产生电流的原理分析：Er-CQDs具有上下转换发光功能，可以吸收紫 外光发射出可见光(蓝光)，也可以吸收450-550nm的可见光，同时将这部分转换为波长为 450nm左右的光，发射出的光能够被CdS QDs吸收。同时CdS QDs还能吸收太阳光中的一 部分可见光，在这些光的激发下，电子从CdS的价带跃迁到导带。由此可见，Er-CQDs是一种具有双功能的转光材料。引入Er-CQDs可以大大提高CdS QDs的光利用率，间接的拓宽了其光吸收范围。此外，Er-CQDs本身具有良好的导电性，引入到光阳极后，能够使电子快速的从CdS QDs的导带转移至TiO2的导带，减小电子和空穴的复合率，TiO2膜吸附Er-CQDs 后能够缩短电子在TiO2膜上的传递距离，使电子更快的流入导电玻璃上，电子通过导线传递到Cu2S对电极与多硫化物电解液发生还原反应，CdS QDs上的空穴传递至多硫化物电解液同 时发生氧化反应，这就形成了电流回路，实现了将太阳能转换为电能的目的。由于Er-CQDs 具有上述作用，这使得CdS QDSSCs的光伏性能得到了非常大的提高。引入Er-CQDsCdS QDSSCs后，太阳能电池的短路电流和开路电压有了明显的提高，这就证明了Er-CQDs的引 入大大提高了CdS QDSSCs的光伏性能。
本发明的有益效果：
本发明的新型CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极制作简单，成本低，在将Er-CQDs引入硫化镉量 子点敏化太阳能电池的光阳极后，太阳能电池的光伏性能大幅度提高。Er-CQDs具有上下转 换发光功能，可以吸收紫外光发射出可见光(蓝光)，也可以吸收450-550nm的可见光，同 时将这部分转换为波长为450nm左右的光，发射出的光能够被CdS QDs吸收。此外，Er-CQDs 本身具有良好的导电性，引入到光阳极后，能够使电子快速的从CdS QDs的导带转移至TiO2的导带，减小电子和空穴的复合率，TiO2膜吸附Er-CQDs后能够缩短电子在TiO2膜上的传 递距离，使电子更快的流入导电玻璃上。因此，与基于CdS/TiO2光阳极的太阳能电池相比， 引入Er-CQDs可以大大提高CdS QDSSCs的光利用率，间接的拓宽了其光吸收范围，同时也 能减小电子和空穴的复合利率，提高电子的提取效率，从而使硫化镉量子点敏化太阳能电池 的光伏性能得到大幅度的提高。
附图说明
图1是Er-CQDs的傅里叶转换红外光谱(FTIR)图。
图2是Er-CQDs的紫外-可见吸收光谱(UV-vis)图。
图3a是CQDs在350-500nm光激发下的荧光光谱(FL)图。
图3b-1是Er-CQDs在350-450nm光激发下的荧光光谱(FL)图。
图3b-2是Er-CQDs在450-550nm光激发下的荧光光谱(FL)图。
图4a是TiO2的X射线粉末衍射(XRD)图。
图4b是CdS QD的X射线粉末衍射(XRD)图。
图4c是CdS/TiO2的X射线粉末衍射(XRD)图。
图4d是CdS/Er-CQDs/TiO2的X射线粉末衍射(XRD)图。
图5a是TiO2，CdS QDs的紫外-可见吸收光谱(UV-vis)图。
图5b是CdS/TiO2，CdS/CQDs/TiO2和CdS/Er-CQDs/TiO2的紫外-可见吸收光谱(UV-vis) 图。
图6是CdS QDs和CdS/Er-CQDs/TiO2的光致发光(PL)图。
图7是CdS量子点敏化太阳能电池的J-V曲线图。
图8是CdS/Er-CQDs/TiO2，多硫化物电解液和Cu2S对电极以三明治结构组装成太阳能电 池器件，在AM＝1.5G，100mW/cm2下研究硫化镉量子点敏化太阳能电池的光伏性能。
具体实施方式
实施例1 Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极CdS/Er-CQDs/TiO2
(一)制备方法
1、制备Er-CQDs
Er-CQDs制备采用回流法和水热法制备。2.47g三乙四胺六乙酸和0.96g氧化铒溶于 100mL去离子水中，转移至三口烧瓶加热回流至溶液透明。用氨水调节上述溶液pH至5，再 将溶液浓缩至50mL，最后将浓缩液转移至100mL聚四氟乙烯反应釜中，加热至180℃反应10h。
2、镀有TiO2薄膜的FTO玻璃的制备
采用溶胶凝胶前驱体和旋涂法制备，首先，将8.5mL钛酸四丁酯，15.8mL无水乙醇混 合(标记为A液)，搅拌30min。然后，将0.45mL去离子水和3滴浓硝酸加入到20mL无 水乙醇中(标记为B液)，搅拌30min。逐滴将A液加入B液中，搅拌陈化5h，得到透明二 氧化钛溶胶。再将二氧化钛溶胶以1800转/分钟，在FTO玻璃上旋涂20s，80℃干燥30min， 降到室温，如此重复旋涂、干燥和冷却步骤4次，最后转入马弗炉550℃煅烧1h。
3、镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO玻璃的制备
将镀有TiO2薄膜的FTO玻璃浸入重量百分浓度为0.01％的Er-CQDs的水溶液中，具有 TiO2薄膜的一面朝下，在室温下使其静置24h后在真空干燥箱内50℃干燥30min。
4、制备CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极
CdS量子点的沉积采用连续离子层吸附与反应方法。将镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO 玻璃依次经在浓度为0.05mol/L的Cd(NO3)2溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min 的离子层吸附处理和在0.05mol/L的Na2S溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min的 反应处理。重复上述的离子层吸附处理与反应处理8次。
0.05mol/L的Cd(NO3)2溶液制备：将0.05mol的硝酸镉、500mL的水和500mL的甲醇混合均匀。
0.05mol/L的Na2S溶液制备：将0.05mol的Na2S、500mL的水和500mL的甲醇混合均匀。
(二)检测
(1)Er-CQDs的傅里叶转换红外光谱(FTIR)分析。
Er-CQDs表面官能团通过红外光谱进行表征。图1显示了Er-CQDs在3411.76cm-1和3159.87cm-1处具有宽的特征吸收峰，这分别来自于Er-CQDs的羟基和C-N键的伸缩振动。1596.73cm-1处和1401.05cm-1处的尖锐峰可以归属于羧基中C＝O的伸缩振动。在1095.33cm-1处的尖锐的峰对应于C-N-C的非对称伸缩振动。上述结果与文献报道值相似，这就证明Er-CQDs已成功的合成。
(2)Er-CQDs的紫外-可见吸收光谱(UV-vis)分析。
CQDs和Er-CQDs的光学性能通过紫外-可见吸收光谱进行研究。图2给出了CQDs和Er-CQDs的紫外-可见吸收光谱。从图中可以发现，量子点在紫外区域具有明显的吸收带，它的吸收带产生与于π-π*，n-π*和表面态跃迁。众所周知，材料的光吸收与激发态和基态之间的带隙有关，而电子能级状态则由材料的固有电子结构决定。π-π*跃迁源于sp2域，意味着Er-CQDs结构中含有大π电子体系。n-π*跃迁来自表面陷阱态的C＝O，C-N等表面基团。从Er-CQDs的紫外-可见吸收光谱可以看出，Er-CQDs从紫外区域到蓝光区域具有很强的吸收。从上述描述中可以看到，与CQDs相比，Er-CQDs显示更强的光吸收，同时，在480到700nm 的可见光区可以看到一些吸收峰。这表明在CQDs引入Er后拓宽了CQDs的光吸收范围，尤 其是在可见光范围内。
(3)Er-CQDs和CQDs的荧光光谱(FL)分析。
荧光光谱用来研究Er-CQDs和CQDs的发光特性。如图3a所示，CQDs在350-500nm的激发 光激发下，最大发射峰位于400-550nm之间，并且随着激发波长的增大发射波长发生了红移。 从图中可以看到激发波长在400-500nm时，对应的发射峰的波长偏离了CdS量子点的吸收。从 图3b-1可以看出，激发光从350增加到450nm时Er-CQDs的发射峰位于450nm左右处。与CQDs 相比，Er-CQDs在相同波长的光激发下具有比CQDs高的发光强度。如图3b-2所示，Er-CQD的 激发波长拓宽到550nm。此外，还可以观察到当激发波长在450-550nm时，在450nm左右出 现一些发射峰。也就是Er-CQDs具有将长波长(550nm)的光转换为短波长(450nm)的光， 这个过程被称为上转换发光。从上面的结果可以证实，Er-CQDs具有(上下)转换发光的双 重功能。Er-CQDs在350-550nm激发光的激发下发射峰集中在450nm左右，这些发射光可以 有效地激发CdS量子点。
(4)TiO2，CdS QDs，CdS/TiO2和CdS/Er-CQDs/TiO2的X射线粉末衍射(XRD)分析。
图4a-图4d为试样TiO2，CdS QDs，CdS/TiO2和CdS/Er-CQDs/TiO2的X射线粉末衍射(XRD)图。图4a显示衍射峰2θ＝25.15°，33.21°，48.46°，54.32°，55.52°，62.51°，69.36°，70.55°和75.37°，分别对应于TiO2的锐钛矿型晶体结构的(101)、(004)、(200)、(105)、(211)、(204)、(116)、(220)和(215)晶面(JCPDS No 21-1272)。然而，在2θ＝ 27.52°也发现了一个低峰，这个峰是TiO2金红石型晶体结构(110)晶面的特征衍射峰。从XRD图谱可以看出，所制备的二氧化钛的结构以锐钛矿结构为主。这有利于电子在TiO2膜 上传递。每一结构的TiO2所占比例可以通过公式(1)和(2)算得：
WA＝AA/0.884AR+AA (1)
WR＝AR/0.884AA+AA (2)
WA和WR分别是锐钛型和晶红石型TiO2的质量百分数，AA是锐钛型TiO2(101)晶面的归 一化峰强度，AR是晶红石型TiO2(110)晶面的归一化峰强度。通过计算可以得到锐钛型TiO2和晶红石型TiO2的质量百分数分别为94.86％和5.14％。锐钛型TiO2的平均粒径可以通过公 式(3)计算：
L＝Kλ/βcosθ (3)
L代表粒子大小，K是常数(通常为0.89)，λ是X射线的波长(对于Cu Kα为0.15418)，β为半峰宽，θ是以度为单位的衍射角。通过计算可以得到锐钛型TiO2的平均粒径为26nm。图4b中可以看到在2θ＝26.53°，44.62°和52.52°处可以观察衍射峰，分别对应于CdS量子点立方晶格(110)、(220)和(311)面的衍射，这些数据符合立方CdS的XRD标准卡片数 据(JCPDS No 10-0454)。这表明CdS QDs已经被成功的制备。较宽的衍射峰表明CdS QDs 的尺寸较小，可以通过应用Scherrer公式计算CdS QDs粒径(4.1nm)得到证明。与图4a中 的二氧化钛的XRD相比，图4c中在2θ＝26.17°，44.62°和52.54°出现了三个额外的衍射峰， 三个峰分别来自于立方晶格CdS的(110)、(220)和(311)晶面。这可以证明CdS QDs 已经沉积在TiO2薄膜上了。图4d显示TiO2和CdS QDs的衍射图样与TiO2和CdS标准卡片 数据相似，这意味着将Er-CQDs引入样品中几乎不影响TiO2和CdS QDs的晶体结构。 Er-CQDs的特征衍射峰在2θ＝25.52°处，它与锐钛矿型TiO2的衍射峰重叠，这就导致在2θ＝ 25.52°的衍射峰峰强度增加。这可以表明Er-CQDs已经被吸附在TiO2表面。在图4d中还可 以清楚地看到TiO2和CdS的衍射峰，这表明CdS QDs与TiO2良好地结合了。
(5)CdS/Er-CQDs/TiO2的X射线能量分析光谱(EDX)分析。
能量色散X射线光谱(EDX)通常被用来确定元素种类和相对含量，它也是研究样品表明 分析技术的一种有效的方式。制备的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜由Cd、S、C、N、Ti和O元 素组成。Cd和S的原子百分比分别为1.10％和1.96％，这与CdS的化学计量组成接近。这表 明CdS量子点的形成并且沉积在Er-CQDs/TiO2薄膜表面。根据Er-CQDs/TiO2薄膜的制备 过程可知含O元素的Er-CQDs应该是吸附在了TiO2薄膜表面，这使得O和Ti原子比大于2。 此外，属于Er元素的峰也出现在EDX谱图中，这揭示了Er-CQDs已合成成功。
(6)TiO2，CdS QDs，CdS/TiO2，CdS/CQDs/TiO2和CdS/Er-CQDs/TiO2的紫外-可见吸收光谱 (UV-vis)分析。
TiO2，CdS QDs，CdS/TiO2，CdS/CQDs/TiO2和CdS/Er-CQDs/TiO2的光学性质由紫外可见 漫反射光谱(UV-vis)研究。如图5a所示，TiO2纳米粒子只能吸收波长低于400nm的高能量 光。对于CdS QDs，陡峭的吸收边大约位于550nm处，这与CdS(2.4eV)的本征窄禁带吸收密切相关。如图5b所示CdS/TiO2光阳极在可见光区域出现了吸收峰，这应归因于CdSQDs的吸收。也就是说沉积了CdS QDs后，CdS/TiO2光阳极的光吸收范围扩大到可见光区域。 与CdS/TiO2光阳极相比，CdS/CQDs/TiO2在300-480nm范围内的光吸收强度增加而在 480-500nm的减少。对于CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极，不仅吸光强度比CdS/TiO2光阳极的高， 而且光吸收范围发生了红移。这是因为，CQDs只吸收吸收紫外光。然而，Er-CQDs不仅可 以吸收紫外光，同时能够吸收480-550nm的可见光。
(7)CdS QDs和CdS/Er-CQDs/TiO2的光致发光(PL)分析。
为了研究样品中载流子的电荷分离情况对样品的PL光谱进行了测试。如图6所示。当CdS 量子点在360nm的光激发下，PL峰出现在525nm处。当使用相同的波长的光激发 CdS/Er-CQDs/TiO2时，CdS/Er-CQDs/TiO2在525nm处的发射峰强度远远低于CdS QDs在此处 的发射峰强度。这种较低的光致发光强度表明Er-CQDs引入光阳极后，CdS/Er-CQDs/TiO2具 有低的电子和空穴复合率。这也表明CdS/Er-CQDs/TiO2装置具有较高的电荷提取率，这就允许该器件有更多的光生电子从CdS QDs的导带转移至TiO2的导带。此外，PL谱图中出现了另外一些强度低的峰，他们属于Er的下转换发光所产生的发射峰。
实施例2 CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极在硫化镉量子点敏化太阳能电池中的应用
(一)硫化镉量子点敏化太阳能电池的制备
1、制备Er-CQDs
Er-CQDs制备采用回流法和水热法制备。2.47g三乙四胺六乙酸和0.96g氧化铒溶于 100mL去离子水中，转移至三口烧瓶加热回流至溶液透明。用氨水调节上述溶液pH至5，再 将溶液浓缩至50mL，最后将浓缩液转移至100mL聚四氟乙烯反应釜中，加热至180℃10h。
2、镀有TiO2薄膜的FTO玻璃的制备
采用溶胶凝胶前驱体和旋涂法制备，首先，将8.5mL钛酸四丁酯，15.8mL无水乙醇混 合(标记为A液)，搅拌30min。然后，将0.45mL去离子水和3滴浓硝酸加入到20mL无 水乙醇中(标记为B液)，搅拌30min。逐滴将A液加入B液中，搅拌陈化5h，得到透明二 氧化钛溶胶。再将二氧化钛溶胶以1800转/分钟，在FTO玻璃上旋涂20s，80℃干燥30min， 降到室温，如此重复旋涂、干燥和冷却步骤4次，最后转入马弗炉550℃煅烧1h。
3、镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO玻璃的制备
将镀有TiO2薄膜的FTO玻璃浸入重量百分浓度为0.01％的Er-CQDs的水溶液中，具有 TiO2薄膜的一面朝下，在室温下使其静置24h后在真空干燥箱内50℃干燥30min。
4、制备CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极
CdS量子点的沉积采用连续离子层吸附与反应方法。将镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO 玻璃依次经在浓度为0.05mol/L的Cd(NO3)2溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min 的离子层吸附处理和在0.05mol/L的Na2S溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min的 反应处理。重复上述的离子层吸附处理与反应处理8次。
0.05mol/L的Cd(NO3)2溶液制备：将0.05mol的硝酸镉、500mL的水和500mL的甲醇混合均匀。
0.05mol/L的Na2S溶液制备：将0.05mol的Na2S、500mL的水和500mL的甲醇混合均匀。
5、制备Cu2S对电极
Cu2S对电极通过化学浴沉积法制备，0.24g CuSO4·5H2O溶于60mL无氧去离子水中， 搅拌至完全溶解后加入0.37g Na2S2O3·5H2O，溶液变为黄绿色。将FTO玻璃导电面朝下倾 斜浸入上述黄绿色溶液中，保持90℃水浴1h后，用去离子水冲洗干净，在空气中干燥。
6、制备多硫化物电解液
将2mol Na2S，2mol S粉和0.2molKCl溶解在甲醇和水(体积比为7：3)的混合溶液中制备而成。
7、组装硫化镉量子点敏化太阳能电池
将多硫化物电解液滴加在CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜上，接着 将制备好的Cu2S对电极盖在滴有适量电解质的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜上形成一个三明治结 构。用胶膜将光阳极和对电极隔离开。
(二)Er-CQDs或者CQDs的引入对硫化镉量子点敏化太阳能电池光伏性能的影响。
实验条件：将光阳极，多硫化物电解液和Cu2S对电极以三明治结构组装成太阳能电池器 件，在AM＝1.5G，100mW/cm2下研究硫化镉量子点敏化太阳能电池的光伏性能。
结果如图7所示，相关的光电数据如短路电流密度(Jsc)和开路电压(Voc)可以从图中 得到。从图7可以看出，基于CdS/TiO2光阳极的太阳能电池的短路电流密度和开路电压分别 为1.3mA/cm2和0.52V。基于CdS/CQDs/TiO2光阳极太阳能电池的短路电流密度和开路电压分别达到了1.6mA/cm2和0.53V。而对与基于CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极的太阳能电 池，它产生了2.25mA/cm2的短路电流和0.53V的开路电压。因此，与基于CdS/TiO2光阳极 的太阳能电池，无论是将Er-CQDs还是CQDs引入到光阳极中，硫化镉量子点敏化太阳能电 池的开路电压和短路电流密度都能发生明显的提高。但是，基于CdS/Er-CQDs/TiO2光阳 极的太阳能电池具有最高的短路电流密度和开路电压。公式(4)可以阐明发生上述结果的原 因。
在公式中k为玻尔兹曼常数，T是绝对温度，q是电子的电荷量，Jinj为发生在CdSQDs 上电子注入电流，ncb是TiO2的导带中的电子浓度，kr是电子的复合率和是在电解液中 的浓度。在实验中，由于使用的电解液相同，所以被认为是常数。因此，VOC与Jinj呈正 相关，与ncb和kr呈负相关。CQDs或Er-CQDs的引入降低了电子空穴的复合，同时也加快了电子在TiO2膜上传输，从而导致ncb和kr减小。根据方程Jinj＝qAI0Φinj可以知道Jinj的变化情况。在公式中，q是电子的电荷量，I0入射光光通量，A为相对于入射光通量，被吸收光的光通量，Φinj是电子从CdS QDs导带注入到TiO2的量子效率。在本实验中，I0是固定不变的。因此，Jinj与A和Φinj呈正相关。由于掺入CQDs或Er-CQDs能够拓宽光阳极的吸光范围，也 能提高电子在CdS QDs与TiO2之间的电子传输效率，这使得A和Φinj都增加。根据图7，可 以看到Er-CQDs或CQDs的引入可导致了开路电压明显的增加。此外，基于CdS/TiO2，CdS /CQDs/TiO2和CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极的太阳能电池的能量转换效率(PCE)可以通 过图7中的相关数据计算。与CdS/TiO2器件相比，CdS/CQDs/TiO2的PCE从0.34％增加 到0.43％，增加了26.4％。然而，CdS/Er-CQDs/TiO2器件的PCE从0.34％增加到0.59％， 增加了73.5％。
将CdS/Er-CQDs/TiO2，多硫化物电解液和Cu2S对电极以三明治结构组装成太阳能电池 器件，在AM＝1.5G，100mW/cm2下研究硫化镉量子点敏化太阳能电池的光伏性能。如图8 所示，Er-CQDs具有上下转换发光功能，可以吸收紫外光发射出可见光(蓝光)，也可以吸收450-550nm的可见光，同时将这部分转换为波长为450nm左右的光，发射出的光能够被CdS QDs吸收。同时CdS QDs还能吸收太阳光中的一部分可见光，在这些光的激发下，电子从CdS的价带跃迁到导带。由此可见，Er-CQDs是一种具有双功能的转光材料。引入Er-CQDs可以大大提高CdS QDSSCs的光利用率，间接的拓宽了其光吸收范围。此外，Er-CQDs本身 具有良好的导电性，引入到光阳极后，能够使电子快速的从CdS QDs的导带转移至TiO2的 导带，减小电子和空穴的复合率，TiO2膜吸附Er-CQDs后能够缩短电子在TiO2膜上的传递 距离，使电子更快的流入导电玻璃上，电子通过导线传递到Cu2S对电极与电解质发生反应，CdS QDs上的空穴也与多硫化物电解液发生反应，从而形成电流回路，得到电流。由于 Er-CQDs具有上述作用，这使得CdS QDSSCs的光伏性能得到了非常大的提高。引入Er-CQDs 后CdS QDSSCs的短路电流和开路电压有了明显的提高，这就证明了Er-CQDs的引入大大提 高了CdS QDSSCs的光伏性能。

Claims (9)

1.一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极，其特征在于，所述的Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极是CdS/Er-CQDs/TiO2。
2.一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO玻璃依次在硝酸镉溶液中沉浸1min，甲醇漂洗，空气中干燥1min，在Na2S溶液中沉浸1min，甲醇漂洗，空气中干燥1min；重复6-8次；所述的硝酸镉溶液由硝酸镉、水和甲醇混合制成；所述的Na2S溶液由Na2S、水和甲醇混合制成。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的镀有Er-CQDs/TiO2薄膜的FTO玻璃的制备方法包括如下步骤：将镀有TiO2薄膜的FTO玻璃浸入Er-CQDs的水溶液中，在室温下静置24h，50℃干燥。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的Er-CQDs的制备方法包括如下步骤：将三乙四胺六乙酸和氧化铒溶于去离子水中，加热回流至溶液透明，调节溶液pH至5，再将溶液浓缩，最后将浓缩溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，加热至180℃，保持10h，冷却至室温。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的镀有TiO2薄膜的FTO玻璃的制备方法包括如下步骤：将去离子水、浓硝酸和无水乙醇混合均匀，然后逐滴加入钛酸四丁酯的乙醇溶液，搅拌陈化5h，得到的透明二氧化钛溶胶以1800转/分钟，在FTO玻璃上旋涂20s，80℃干燥，冷却至室温，重复旋涂、干燥、冷却步骤2-4次后，转入马弗炉550℃煅烧1h。
6.权利要求1所述的Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极在量子点敏化太阳能电池上的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，方法如下：将多硫化物电解液滴加在CdS/Er-CQDs/TiO2光阳极的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜上，接着将Cu2S对电极盖在滴有适量多硫化物电解液的CdS/Er-CQDs/TiO2薄膜上形成一个三明治结构，用胶膜将光阳极和对电极隔离开。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的Cu2S对电极的制备方法包括如下步骤：将CuSO4·5H2O溶于无氧去离子水中，搅拌至完全溶解后加入Na2S2O3·5H2O，得混合液，将FTO玻璃的导电面朝下倾斜浸入混合液中，保持90℃水浴1h后，用去离子水冲洗，空气中干燥。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述的多硫化物电解液是将Na2S，S粉和KCl溶解在甲醇和水的混合溶液中，制备而成。
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