CN107799316B - 一种PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法及其应用，首先将TiO2薄膜浸入0.1‑0.8M乙酸铅、0.1‑0.8M亚硫酸钠和0.2‑1.6M氨三乙酸三钠的混合溶液中，在避光、20‑60℃条件下静置20‑180min；然后将处理后的薄膜浸入0.1‑1M的硫化钠溶液中，静置1‑10min，获得PbS量子点敏化TiO2薄膜。本发明PbS量子点敏化TiO2薄膜可以作为光阳极与多硫电解质和硫化亚铜对电极结合组装成光伏器件。本发明制备所得PbS量子点尺寸均一、分布均匀，能够改进传统PbS量子点的缺陷，增进电荷传输，减小电荷复合，提高器件光电转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法及其应用，属于光伏技术领域。
背景技术
在众多新型替代能源之中，太阳能以其取用不尽、绿色清洁的优势而受到业界关注。利用太阳能电池可将太阳能转换为电能以供社会生活、工业生产等使用。根据太阳能电池发展阶段及器件结构，可将其主要划分为第一代硅晶太阳能电池(单晶硅、多晶硅、非晶硅)、第二代薄膜太阳能电池(铜铟镓硒、碲化镉、砷化镓等)以及第三代纳米晶太阳能电池(染料敏化、量子点敏化等)。众多太阳能电池各具优点与劣势。比如，硅基太阳能电池发展相对成熟，商业化程度较高，但其在生产制备过程中能耗较高。最近齐军突起的钙钛矿太阳能电池在光电转换效率与器件制备方面极具优势，而其稳定性很差，目前尚难实现产业化。近年来，量子点太阳能电池作为一种新型第三代太阳能电池备受瞩目。量子点作为光敏剂，具有量子尺寸效应、多激子产生效应、吸收系数大等诸多优势，其理论光电转换效率高达44％，发展潜力巨大。然而，目前量子点光伏器件的光电转换效率还有待进一步提高。
硫化铅(PbS)量子点是一种光电性能优异、发展潜力巨大的量子点光敏剂。其禁带宽度窄(体材料约为0.41eV)，能够将光谱吸收范围拓宽至近红外光区域，提高光子捕获效率；其激子玻尔半径(18nm)，实现多激子产生效应的可能性较大。研究结果也表明PbS量子点太阳能电池具有很高的光电流密度(G.H.Carey et al,Phys.Chem.Rev.2015,115,12732-12763； J.W.Lee et al,Sci.Rep.2013,3,1050)。目前，PbS量子点的制备方法主要分为两类：1)通过热注射法合成胶体量子点，继而借助双功能分子连接剂将其吸附在氧化物表面或利用旋涂工艺制备量子点薄膜；2)利用连续离子层吸附与反应(SILAR)法在氧化物薄膜表面原位生长 PbS量子点。但是，这两种方法都存在一定缺陷。比如，第一种方法中PbS量子点在氧化物薄膜上的吸附率较低，且表面配体不利用电荷传输；第二种方法制备所得量子点颗粒尺寸分布范围大，表面缺陷多。故亟需探索更为合适的PbS量子点制备方法以构筑高效太阳能电池。
发明内容
本发明的目的是提供一种PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法及其应用。本方法简单易操作，可以在TiO2薄膜上获得粒径均匀的高质量PbS量子点，增进电荷传输、减小电荷复合，从而提升器件光伏性能。
本发明PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：分别配制摩尔浓度为0.1-0.8M的乙酸铅(Pb(CH3COO)2)水溶液、0.1-0.8M的亚硫酸钠(Na2SO3)水溶液以及0.2-1.6M的氨三乙酸三钠(N(CH2COONa)3)水溶液，然后将三种溶液等体积混合并搅拌均匀，获得前驱液；
步骤2：将TiO2薄膜浸入步骤1配制的前驱液中，在避光、20-60℃条件下静置20-180min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干；
步骤3：将步骤2处理后的薄膜浸入摩尔浓度为0.1-1M的硫化钠(Na2S)溶液中，静置 1-10min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干，获得PbS量子点敏化TiO2薄膜。
步骤1中，亚硫酸钠水溶液与乙酸铅水溶液的浓度相同。
步骤1中，亚硫酸钠水溶液的浓度优选为0.1M，氨三乙酸三钠水溶液的浓度优选为0.2M。
步骤1中，所述TiO2薄膜是将10-200nm的TiO2颗粒与乙基纤维素、松油醇按照质量比 1:0.5:3.5的比例混合均匀，以乙醇为溶剂配成浆料，采用丝网印刷或刮涂工艺将浆料均匀涂覆在FTO或ITO导电玻璃上，随后在500℃下烧结30min制备而成，薄膜厚度为8-10μm。
步骤3中，硫化钠溶液的溶剂为甲醇和水，二者体积比为1:1。
步骤3中，硫化钠溶液的浓度优选为0.1M，静置时间为2min。
本发明PbS量子点敏化TiO2薄膜的应用，是作为光阳极制备量子点太阳能电池，具体包括如下步骤：
将所述PbS量子点敏化TiO2薄膜作为光阳极，与多硫电解质和硫化亚铜对电极组装成“三明治”结构的量子点太阳能电池。即采用热封膜将光阳极与对电极隔开，并在两电极之间注入多硫电解质。
所述多硫电解质是将1-2M硫粉溶解在浓度为1-2M的硫化钠水溶液中制备而成的溶液，溶液中硫粉与硫化钠的摩尔浓度相同。
所述硫化亚铜对电极是将厚度为0.2-0.3mm的黄铜片浸入浓度为37％的浓盐酸中， 75-85℃下处理20-40min，去离子水冲洗、空气吹干之后，再浸入制备所得多硫电解质中，25℃下处理1-10min即可。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明方法可以在制备获得高质量PbS量子点敏化TiO2薄膜，用作量子点敏化太阳能电池光阳极以制备高效光伏器件。该方法制备所得PbS量子点尺寸均一、分布均匀，能够改进传统PbS量子点的缺陷，增进电荷传输，减小电荷复合，提高器件光电转换效率。且本发明制备工艺简单、成本低廉，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是PbS量子点敏化TiO2光电极表面的扫描电子显微镜(SEM)照片。由图1可以看出，TiO2薄膜呈多孔结构，上面负载有许多纳米颗粒。
图2是PbS量子点敏化氧化物TiO2纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)照片。由图2可以看出，在TiO2颗粒表面附着有许多小黑点，即为量子点，且量子点尺寸均一、分布均匀。
图3是PbS量子点敏化TiO2薄膜的紫外-可见-近红外吸收谱。由图3可以看出，本发明的光阳极薄膜吸收光谱延伸至近红外光区域。
图4是采用本发明方法制备所得PbS量子点敏化TiO2太阳能电池的光电流密度-电压 (J-V)曲线。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
1、分别配制一定摩尔浓度的乙酸铅(Pb(CH3COO)2)水溶液、亚硫酸钠(Na2SO3)水溶液以及氨三乙酸三钠(N(CH2COONa)3)水溶液，然后将三种溶液等体积混合，并用磁力搅拌器将混合溶液搅拌均匀，获得前驱液；其中亚硫酸钠溶液与乙酸铅溶液浓度相同。
2、将TiO2薄膜浸入步骤1配制的前驱液中，在避光、25℃条件下静置30min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干；
所述TiO2薄膜是将20-30nm的TiO2颗粒与乙基纤维素、松油醇按照质量比1:0.5:3.5的比例混合均匀，以乙醇为溶剂配成浆料，采用刮涂工艺将浆料均匀涂覆在FTO导电玻璃上，并进一步在500℃温度下烧结30min制备而成，薄膜厚度为10μm。
3、将步骤2处理后的薄膜浸入摩尔浓度为0.1M的硫化钠(Na2S)溶液中，溶剂为甲醇与水(二者体积比为1:1)，静置1min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干，获得PbS量子点敏化TiO2薄膜。
4、将步骤3所获得的PbS量子点敏化TiO2薄膜作为光阳极，与多硫电解质和硫化亚铜对电极组装成“三明治”结构的量子点太阳能电池。即采用热封膜将光阳极与对电极隔开，并在两电极之间注入多硫电解质。测试器件光电转换性能，见表1。
所述多硫电解质是将1M硫粉溶解在浓度为1M的硫化钠水溶液中制备而成的溶液，溶液中硫粉与硫化钠摩尔浓度相同。
所述硫化亚铜对电极是将厚度为0.2-0.3mm的黄铜片浸入浓度为37％的浓盐酸中，80℃下处理40min，去离子水冲洗、空气吹干之后再浸入制备所得多硫电解质中，25℃下处理5min 即可。
表1不同前驱液浓度下的太阳能电池性能
从表1可以看出，不同前驱液浓度对器件性能有较大影响。
实施例2：
1、分别配制摩尔浓度为0.1M的乙酸铅(Pb(CH3COO)2)水溶液、0.1M的亚硫酸钠(Na2SO3) 水溶液以及0.2M的氨三乙酸三钠(N(CH2COONa)3)水溶液，然后将三种溶液等体积混合，并用磁力搅拌器将混合溶液搅拌均匀，获得前驱液；其中亚硫酸钠溶液与乙酸铅溶液浓度相同。
2、将TiO2薄膜浸入步骤1配制的前驱液中，在避光、25℃条件下静置30min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干；
所述TiO2薄膜是将20-30nm的TiO2颗粒与乙基纤维素、松油醇按照质量比1:0.5:3.5的比例混合均匀，以乙醇为溶剂配成浆料，采用刮涂工艺将浆料均匀涂覆在FTO导电玻璃上，并进一步在500℃温度下烧结30min制备而成，薄膜厚度为10μm。
3、将步骤2处理后的薄膜浸入一定摩尔浓度的硫化钠(Na2S)溶液中，溶剂为甲醇与水 (二者体积比为1:1)，静置一段时间，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干，获得PbS量子点敏化TiO2薄膜。
4、将步骤3所获得的PbS量子点敏化TiO2薄膜作为光阳极，与多硫电解质和硫化亚铜对电极组装成“三明治”结构的量子点太阳能电池。即采用热封膜将光阳极与对电极隔开，并在两电极之间注入多硫电解质。测试器件光电转换性能，见表2。
所述多硫电解质是将1M硫粉溶解在浓度为1M的硫化钠水溶液中制备而成的溶液，溶液中硫粉与硫化钠摩尔浓度相同。
所述硫化亚铜对电极是将厚度为0.2-0.3mm的黄铜片浸入浓度为37％的浓盐酸中，80℃下处理40min，去离子水冲洗、空气吹干之后再浸入制备所得多硫电解质中，25℃下处理5min 即可。
表2不同硫化钠浓度与浸入时间下的太阳能电池性能
从表2可以看出，不同硫化钠浓度与浸入时间对器件性能有较大影响。
Claims (1)
1.一种PbS量子点敏化TiO2薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：分别配制摩尔浓度为0.1M的乙酸铅水溶液、0.1M的亚硫酸钠水溶液以及0.2M的氨三乙酸三钠水溶液，然后将三种溶液等体积混合并搅拌均匀，获得前驱液；
步骤1中，所述TiO2薄膜是将10-200nm的TiO2颗粒与乙基纤维素、松油醇按照质量比1:0.5:3.5的比例混合均匀，以乙醇为溶剂配成浆料，采用丝网印刷或刮涂工艺将浆料均匀涂覆在FTO或ITO导电玻璃上，随后在500℃下烧结30min制备而成，薄膜厚度为8-10μm；
步骤2：将TiO2薄膜浸入步骤1配制的前驱液中，在避光、20-60℃条件下静置20-180min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干；
步骤3：将步骤2处理后的薄膜浸入摩尔浓度为0.1M的硫化钠溶液中，静置2min，取出后用去离子水冲洗以除去多余离子，并用空气压缩机生成的压缩空气将其吹干，获得PbS量子点敏化TiO2薄膜；
步骤3中，硫化钠溶液的溶剂为甲醇和水，二者体积比为1:1；
将所述PbS量子点敏化TiO2薄膜作为光阳极，与多硫电解质和硫化亚铜对电极组装成“三明治”结构的量子点太阳能电池；所述多硫电解质是将1-2M硫粉溶解在浓度为1-2 M的硫化钠水溶液中制备而成的溶液，溶液中硫粉与硫化钠的摩尔浓度相同。
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