CN110600560A - 量子点异质结及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了量子点异质结及其应用。其中，量子点异质结包括量子点吸光层和多铁/铁电功能层，量子点吸光层的材料为量子点材料，多铁/铁电功能层的材料为多铁材料或者铁电材料。首先，该功能层的引入有利于提高量子点吸光层内的光生载流子的分离效率；其次，该功能层具有较高的表面电阻和介电常数，使异质结界面处电阻率极高，可以有效降低异质结界面处的电子转移，提高量子点吸光层的电子传输效率；最后，多铁材料或铁电材料内的铁电畴有残余铁电极化，可形成内部的“退极化电场”，能够提供“电子空穴对”分离的驱动力，减少载流子的复合几率，提高“光生电流”。因此应用本发明量子点异质结的光电器件的光电转化效率得到显著地提升。

Description

量子点异质结及其应用
技术领域
本发明涉及量子点材料技术领域，尤其涉及量子点异质结及其应用。
背景技术
量子点半导体材料具有良好的电学和光学性能，例如较大的光吸收系数、较宽的吸收光谱范围、可调节的吸收峰位置等，被广泛应用于发光二极管(LED)、太阳能电池、光电化学电池、光电探测器等领域。
量子点吸光层能够吸收能量大于等于本身禁带宽度的入射光子，材料内部产生激子，即“电子空穴对”，由于材料内部带电载流子存在浓度梯度，会发生扩散现象，产生内建电场，使得带电载流子(光生电子，光生空穴)在一定方向上发生漂移，从而产生光电流，但是其光电压受到半导体吸光材料禁带宽度的限制，光电压通常小于其禁带宽度，导致电池整体的光电转换效率较低。
此外，利用太阳能技术裂解水，制得价廉、干净的燃料——氢气，是解决未来能源问题的一条最有希望的途径。研究太阳能光解水制氢有多种途径(例如电解水制氢、水煤气制氢等)，由半导体光电极、对电极以及电解液组成的光电化学电池(PEC cells)是极具潜力而又高效的技术手段之一。目前，量子点敏化的PEC电池通常用烧结后的TiO2薄膜作为光电极，这种结构中，电池的光电转换效率通常由于量子点的吸附困难以及电子空穴的复合效应等因素的存在而难以提高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种量子点异质结，应用该量子点异质结的光电器件的光电转化效率高。
本发明的目的之二在于提供一种光电转化效率高的量子点异质结太阳能电池。
本发明的目的之三在于提供一种电子传输效率高的异质结光电极。
本发明的目的之四在于提供一种光电转化效率高的光电化学电池。
本发明的目的之五在于提供一种具有高效产氢能力的光解水自给系统。
根据本发明的一个方面，提供一种量子点异质结，包括量子点吸光层和多铁/铁电功能层，所述量子点吸光层的材料为量子点材料，所述多铁/铁电功能层的材料为多铁材料或者铁电材料。
在其中一个实施例中，所述量子点材料选自CdSe/CdS、CdSe/CdSexS1-x/CdS、InP/ZnS、InP/ZnSe/ZnS、InP/InAs、PbS/CdS、PbSe、PbS、CuInS2、CuInSe2、钙钛矿量子点中的一种或多种，其中x的取值范围为0≤x≤1。
在其中一个实施例中，所述多铁/铁电功能层的材料为拥有高残余铁电极化值的金属氧化物多铁材料或者铁电材料，优选地，所述多铁/铁电功能层材料的残余铁电极化值大于20μC/cm2，更优选地，所述多铁/铁电功能层材料的残余铁电极化值大于50μC/cm2。
在其中一个实施例中，所述多铁/铁电功能层的材料选自BaTiO3、CaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、掺杂Pb(Zr1-xTix)O3、BiFeO3、BiCrO3、BiMnO3、RMnO3、LuFe2O4、CuFeO2、Ca3CoMnO6、Bi2FeYO6、Bi2NiMnO6、Bi2NiReO6中的一种或多种，其中，x的取值范围为0≤x≤1，R表示稀土元素，Y表示Cr、Ni、Ti、Mn中的一种。
在其中一个实施例中，所述量子点吸光层的厚度为200nm～300nm，所述多铁/铁电功能层的厚度为20nm～50nm。
根据本发明的另一个方面，提供一种量子点异质结太阳能电池，包括依次设置的第一透明电极、第一电子传输层、量子点异质结以及第二电极，所述量子点异质结为本发明前述的量子点异质结。
在其中一个实施例中，所述第一透明电极的材料选自ITO、FTO中的一种。
在其中一个实施例中，所述量子点异质结太阳能电池还包括位于所述量子点异质结和所述第二电极之间的第一空穴传输层，所述第一空穴传输层为具有空穴传输功能的p型半导体氧化物层，优选地，所述p型半导体氧化物层的材料为禁带宽度大于3.0eV的p型半导体金属氧化物。
在其中一个实施例中，所述多铁/铁电功能层材料的禁带宽度小于所述p型半导体金属氧化物的禁带宽度。
根据本发明的另一个方面，提供一种异质结光电极，包括依次设置的第三电极、第二电子传输层和量子点异质结，所述量子点异质结为本发明前述的量子点异质结，所述多铁/铁电功能层设置于远离所述第二电子传输层的一侧。
在其中一个实施例中，所述第二电子传输层为具有电子传输功能的氧化物层，优选地，所述氧化物层的材料为金属氧化物半导体，更优选地，所述氧化物层的材料为n型半导体金属氧化物，更优选地，所述氧化物层的材料选自TiO2、ZnO及掺杂ZnO、In2O3、Fe3O4、SnO2、RuO2中的一种或多种。
在其中一个实施例中，所述量子点吸光层材料的禁带宽度小于所述多铁/铁电功能层材料的禁带宽度。
根据本发明的另一个方面，提供一种光电化学电池，包括本发明前述的异质结光电极、对电极、偏压电源以及电解液，所述异质结光电极与所述对电极分别与所述偏压电源的正、负极连接，所述异质结光电极以及所述对电极分别设于所述电解液中。
根据本发明的另一个方面，提供一种光解水自给系统，其特征在于，包括本发明前述的异质结光电极、对电极、提供偏压的太阳能电池、电解液、密封装置以及气体收集装置，所述异质结光电极与所述对电极分别与所述太阳能电池的正、负极连接，所述异质结光电极以及所述对电极分别设于所述电解液中，所述对电极设置于所述密封装置内，所述气体收集装置与所述密封装置连通。
在其中一个实施例中，所述太阳能电池包括基板、氧化物薄膜电极、吸光层以及第四透明电极，所述吸光层的材料为多铁材料或铁电材料。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：多铁/铁电功能层的引入有利于提高量子点吸光层内光生载流子的分离效率，多铁材料或铁电材料内的铁电畴有残余铁电极化，可形成内部的“退极化电场”，该退极化电场可穿透界面，能够提供量子点吸光层“电子空穴对”分离的驱动力，减少载流子的复合几率，提高“光生电流”，因此应用本发明量子点异质结的光电器件的光电转化效率得到显著地提升；此外，多铁/铁电功能层具有较高的表面电阻和介电常数，使得异质结界面处电阻率高，可以有效降低异质结界面处的电子转移，提高量子点吸光层的电子传输效率。
附图说明
图1为本发明的量子点异质结的一个实施例的剖面示意图；
图2为本发明的量子点异质结太阳能电池的一个实施例的剖面示意图；
图3为本发明的量子点异质结太阳能电池的另一个实施例的剖面示意图；
图4为本发明的光电化学电池的一个实施例的示意图，图中还显示了异质结光电极；
图5为本发明的光解水自给系统的一个实施例的示意图；
图6为对比例1中太阳能电池的结构图示意图；
图7为实施例1中CdSe/CdS-BFCO异质结太阳能电池各层材料的能级图；
图8为实施例1-3和对比例1的太阳能电池的“电流-电压”特征曲线图；
图9为实施例4-6和对比例2的光化学电池的“电流-电压”特征曲线图。
图中：
100、量子点异质结；101、量子点吸光层；102、多铁/铁电功能层；
1、第一透明电极；2、第一电子传输层；3、第二电极；4、第一空穴传输层；
20、异质结光电极；21、第三电极；22、第二电子传输层；
30、对电极；40、偏压电源；50、电解液；
400、太阳能电池；401、基板；402、氧化物薄膜电极；403、吸光层；404、第四透明电极。
60、密封装置；70、气体收集装置。
具体实施方式
下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明首先提供一种用于光电器件的量子点异质结100，包括量子点吸光层101和多铁/铁电功能层102，量子点吸光层101的材料包括量子点材料，多铁/铁电功能层102的材料包括多铁材料或者铁电材料。
值得一提的是，铁电材料是指具有铁电性能的材料，多铁材料是指具有两种或两种以上铁序性能(包括铁电性能、铁磁性能、铁弹性能)的材料。
量子点吸光层101可以是现有的光电器件中的量子点吸光层。多铁/铁电功能层102的引入有利于提高量子点吸光层101内的光生载流子的分离效率，多铁材料或铁电材料内的铁电畴有残余铁电极化，可形成内部的极化电场，该极化电场可穿透界面，能够提供量子点吸光层“电子空穴对”分离的驱动力，减少载流子的复合几率，提高“光生电流”，因此应用本发明量子点异质结的光电器件的光电转化效率得到显著地提升；此外，多铁/铁电功能层102具有较高的表面电阻和介电常数，可以有效降低异质结界面处的电子转移，提高量子点吸光层101的电子传输效率。
在一些实施例中，量子点吸光层101的量子点材料选自CdSe/CdS、CdSe/CdSexS1-x/CdS、InP/ZnS、InP/ZnSe/ZnS、InP/InAs、PbS/CdS、PbSe、PbS、CuInS2、CuInSe2、钙钛矿量子点中的一种或多种，CdSe/CdSexS1-x/CdS中x的取值范围为0≤x≤1。当然，也不排除量子点材料为其他的II-VI族量子点或III-V族量子点。
量子点吸光层101可以通过旋涂法制备，将量子点溶液旋涂在基板上后干燥制得量子点吸光层101。当然，并不排除量子点吸光层101采用其他方法制备，例如电沉积法等。
在一些实施例中，多铁/铁电功能层102的材料为高残余铁电极化的金属氧化物多铁材料或者铁电材料。
量子点吸光层101中量子点材料的禁带宽度≤3.0eV。在一些实施例中，量子点吸光层101材料的禁带宽度小于多铁/铁电功能层102材料的禁带宽度。
在一些实施例中，多铁/铁电功能层102的材料选自BaTiO3、CaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、掺杂Pb(Zr1-xTix)O3、BiFeO3、BiCrO3、BiMnO3、RMnO3、LuFe2O4、CuFeO2、Ca3CoMnO6、Bi2FeYO6、Bi2NiMnO6、Bi2NiReO6中的一种或多种，其中，x的取值范围为0≤x≤1，R表示稀土元素，Y表示Cr、Ni、Ti、Mn中的一种。
多铁/铁电功能层102的材料为拥有高残余铁电极化值的金属氧化物材料，优选地，多铁/铁电功能层102材料的残余铁电极化值大于20μC/cm2，更优选地，多铁/铁电功能层102材料的残余铁电极化值大于50μC/cm2。高残余铁电极化值的金属氧化物材料(如Bi2FeCrO6和BiFeO3的残余铁电极化值都大于50μC/cm2)与残留铁电极化值较小的铁电材料或多铁材料(如BaTiO3的残余铁电极化值小于等于20μC/cm2)相比，拥有较强的内建电场，可以穿过异质结界面，提供量子点吸光层内带电载流子的分离驱动力，从而提高“电子空穴对”的分离效率，减少复合几率。
在一些实施例中，多铁/铁电功能层102的多铁材料或铁电材料通过沉积的方法形成于量子点吸光层101上，沉积的方法可以是但不限于金属氧化物化学气相沉积(MOVCD)、等离子体加强化学气相沉积(PECVD)、蒸发相外延(VPE)、分子束液相外延(MBE-LPE)、原子层沉积(ALD)、溅射(Sputtering)等。当然，并不排除多铁/铁电功能层102采用其他方法制备。
在一些实施例中，量子点吸光层101的厚度为200nm～300nm，多铁/铁电功能层102的厚度为20nm～50nm。
本发明提供的量子点异质结100可以应用在异质结光电极、光电化学电池及太阳能电池中。
本发明的量子点异质结100的一个应用实例是将量子点异质结100应用于固体太阳能电池。在该应用实例中，提供一种量子点异质结太阳能电池，包括依次设置的第一透明电极1、第一电子传输层2、量子点异质结100以及第二电极3，如图2或3所示，其中量子点异质结100的量子点吸光层101靠近第一电子传输层2，多铁/铁电功能层102靠近第二电极3。
高能量的光子经过第一透明电极1以及第一电子传输层2到达量子点吸光层101，量子点吸光层101的量子点吸收高能量的光子后产生激子，即电子空穴对，由于存在带电载流子的浓度梯度，电子和空穴发生扩散，且在一定区域内产生内建电场，从而发生带电载流子(电子和空穴)沿一定方向的漂移，其中电子向第一电子传输层2一端移动，空穴向第二电极3一端移动，而多铁/铁电功能层102的存在可以阻止电子向第二电极3一端移动，从而能够减少电子与空穴的复合，提高量子点异质结太阳能电池的光电转化效率。
第一透明电极1的材料可以是FTO、ITO中的一种。第一电子传输层2可以是具有电子传输功能的氧化物薄膜层，如TiO2或掺杂ZnO。第二电极3的材料可以是但不限于Ag、Al、Cu、Au、Pt等。
在一些实施例中，第一电子传输层2的厚度约为50nm～100nm，其禁带宽度≥3.0eV。
在一些实施例中，量子点异质结太阳能电池还包括位于第二电极3与量子点异质结100之间的第一空穴传输层4，如图3所示，第一空穴传输层4为具有空穴传输功能的p型半导体氧化物层。p型半导体氧化物层具有阻止电子通过的作用，也有利于减少界面处的电子空穴复合率。
优选地，p型半导体氧化物层的材料为禁带宽度大于3.0eV的p型半导体金属氧化物，p型半导体金属氧化物可以是但不限于NiOx(0＜x≤1)、MoO3、掺杂SrTiO3(掺杂元素为In)等。p型半导体氧化物层的厚度为10nm～20nm。
在一些实施例中，多铁/铁电功能层102材料的禁带宽度小于p型半导体氧化物层材料的禁带宽度。
本发明的量子点异质结100的另一个应用实例是将量子点异质结100应用于光催化。该实例中，量子点异质结100用于制备异质结光电极20，异质结光电极20作为用于光催化的光电化学电池的一个电极。
该实例中，首先提供一种异质结光电极20，如图4所示，异质结光电极20包括依次设置的第三电极21、第二电子传输层22和量子点异质结100，其中，量子点吸光层101设置在靠近第二电子传输层22的一侧，多铁/铁电功能层102设置在远离第二电子传输层22的一侧。
第三电极21的材料可以是但不限于FTO、ITO等。
在一些实施例中，第二电子传输层22为具有电子传输功能的氧化物层，如导电性好的n型半导体金属氧化物。优选地，氧化物层的材料选自TiO2、ZnO及掺杂ZnO、In2O3、Fe3O4、SnO2、RuO2中的一种或多种，其中，掺杂ZnO可以是但不限于Li-ZnO、Al-ZnO、In-ZnO等。
在一些实施例中，第二电子传输层22的厚度约为50nm～100nm，第二电子传输层22材料的禁带宽度≥3.0eV。
在一些实施例中，量子点吸光层101材料的禁带宽度小于多铁/铁电功能层102材料的禁带宽度。
异质结光电极20可以通过以下步骤制备：
(1)提供一导电基底，也即第三电极21；
(2)在导电基底的上表面采用旋涂法制备第二电子传输层22；
(3)在第二电子传输层22的上表面采用旋涂法设置量子点材料，形成量子点吸光层101；
(4)在量子点吸光层101上沉积多铁/铁电材料，形成多铁/铁电功能层102。
值得一提的是，异质结光电极20可用树脂(如环氧树脂)进行部分封装。
该实例中，还提供一种光电化学电池，如图4所示，包括异质结光电极20、对电极30、偏压电源40以及电解液50，异质结光电极20与偏压电源40的正极连接，对电极30与偏压电源40的负极连接，异质结光电极20与对电极30分别设于电解液50中。光电化学电池通过光催化作用促进电池的正负极发生电化学反应从而产生电。
对电极30可以是但不限于贵金属铂(Pt)或钯(Pd)中的一种或纳米晶Pd修饰p-Si电极或铁基催化剂Fe@FeOxSy。偏压电源40为外部电源。电解液50为碱性电解液，如Na2S/Na2SO3。
本发明的光化学电池的异质结光电极20为在量子点吸光层101上覆盖了一层多铁/铁电功能层102，多铁/铁电功能层102具有较高的表面电阻和介电常数，可以有效减少异质结界面处的电子转移，提高量子点吸光层101的电子传输效率；多铁/铁电功能层102中的多铁材料或铁电材料内的铁电畴有残余铁电极化，可形成内部的极化电场，该极化电场可穿透界面，能够提供量子点吸光层内“电子空穴对”分离的驱动力，从而减少载流子的复合几率，提高“光生电流”，因此光电化学电池的光电化学转化效率得到提升；多铁/铁电功能层102具有高致密性、高电阻率和高结构稳定性，而且可以对电解液中的量子点吸光层101形成表面钝化保护作用，防止量子点吸光层101被碱性电解液腐蚀。
上述实例中，由量子点异质结100制备的异质结光电极20可以用于光解水自给系统，以制备氢气。光解水自给系统包括异质结光电极20、对电极30、提供偏压的太阳能电池400、电解液50、密封装置60以及气体收集装置70，如图5所示。其中异质结光电极20以及对电极30设置在电解液50中，异质结光电极20和对电极30分别与太阳能电池400的正、负极连接，对电极30设置于密封装置60内，气体收集装置70与密封装置60连通，对电极30处产生的氢气通过气体收集装置70收集。
对电极30的材料可以是但不限于贵金属铂(Pt)或钯(Pd)中的一种或纳米晶Pd修饰p-Si电极或铁基催化剂Fe@FeOxSy。
太阳能电池400包括基板401、设于基板401上的氧化物薄膜电极402、设于氧化物薄膜电极402上的吸光层403以及设于吸光层403上表面的第四透明电极404，其中吸光层403的材料为窄禁带宽度的多铁材料或铁电材料。
基板401的材料可以是但不限于SrTiO3、LaAlO3(LAO)、(La,Sr)(Al,Ta)O3(LSAT)、蓝宝石。氧化物薄膜电极402的材料可以是但不限于SrRuO3、In2O3。吸光层403的材料可以是但不限于BiFeO3、BiCrO3、Bi2FeCrO6、BiMnO3。第四透明电极404的材料可以是但不限于ITO、Al-ZnO、Li-ZnO、In-ZnO。
电解液50为碱性电解液，如Na2S/Na2SO3。
本发明的光解水自给系统中，利用太阳能电池400将光能转换为电能，这部分电能提供给“光电化学电池-光催化系统”，促使电解液中的水裂解，产生氢气。所用的太阳能电池400并非传统的硅电池，其中包含能够提供高光电压的窄禁带宽度的多铁材料或铁电材料，可以提供充足偏压给“光电化学电池-光催化系统”，有利于提高制氢效率；此外，本发明的光解水自给系统中，异质结光电极20的量子点吸光层101在远离第二电子传输层22的一侧设置多铁/铁电功能层102，可以显著提高光电极的光水解产氢能力和效率，同时多铁/铁电功能层102的加入，可以极大地减少电子空穴复合，提高载流子寿命，因此可以提升对电极30表面的氢析出的量和效率；再一方面，多铁/铁电功能层102具有高的致密性、高电阻率和稳定性，对电解液50中的量子点吸光层101形成表面钝化保护作用，防止量子点吸光层101被碱性电解液腐蚀。
【实施例1】
制备量子点异质结太阳能电池S1–a：
(1)电子传输层制备：在FTO玻璃基板上采用旋涂法制备厚度为50nm的TiO2层，并进行烘干处理；
(2)吸光层制备：选用CdSe/CdS核壳量子点，在TiO2层上通过旋涂法制备厚度为200nm的CdSe/CdS量子点吸光层，并进行烘干处理；
(3)功能层制备：选用Bi2FeCrO6(BFCO)作为功能层材料，其室温下残余铁电极化值为60μC/cm2，禁带宽度为2.2eV，在CdSe/CdS量子点吸光层上采用溅射法制备厚度为20nm的BFCO多铁功能层；
(4)空穴传输层制备：在BFCO多铁功能层上采用溅射法制备厚度为20nm的NiO空穴传输层；
(5)电极制备：在NiO空穴传输层上采用蒸镀法制备厚度为100nm的Ag电极，并进行烘干处理。
【实施例2】
制备量子点异质结太阳能电池S1–b：
(1)电子传输层制备：同实施例1的步骤(1)；
(2)吸光层制备：同实施例1的步骤(2)；
(3)功能层制备：选用BFCO作为功能层材料，其室温下残余铁电极化值为60μC/cm2，禁带宽度为2.2eV，在CdSe/CdS量子点吸光层上采用溅射法制备厚度为50nm的BFCO多铁功能层；
(4)空穴传输层制备：同实施例1的步骤(4)；
(5)电极制备：同实施例1的步骤(5)。
【实施例3】
制备量子点异质结太阳能电池S1–c：
(1)电子传输层制备：同实施例1的步骤(1)；
(2)吸光层制备：同实施例1的步骤(2)；
(3)功能层制备：选用BiCrO3(BCO)作为功能层材料，其室温下残余铁电极化值为5μC/cm2，禁带宽度为2.3eV，在CdSe/CdS量子点吸光层上采用溅射法制备厚度为20nm的BCO多铁功能层；
(4)空穴传输层制备：同实施例1的步骤(4)；
(5)电极制备：同实施例1的步骤(5)。
【实施例4】
制备量子点异质结光化学电池S2–a：
(1)光电极制备，包括以下步骤：
(11)电子传输层制备：在FTO玻璃基板上采用旋涂法制备厚度为100nm的TiO2层，并进行烘干处理；
(12)吸光层制备：选用CH3NH3PbI3(MAPbI3)钙钛矿量子点，在TiO2层上通过旋涂法制备厚度为300nm的MAPbI3量子点吸光层，并进行烘干处理；
(13)功能层制备：选用BiFeO3(BFO)作为功能层材料，其室温下残余铁电极化值为100μC/cm2，禁带宽度为2.7eV，在MAPbI3量子点吸光层上采用金属氧化物化学气相沉积法制备厚度为20nm的BFO多铁功能层；
(14)光电极封装：采用环氧树脂将上述步骤(1)-(3)中制备的光电极进行封装，并在功能层表面留出一定大小的活性反应区域，FTO玻璃基板与外接导线相连接；
(2)对电极选择：选择金属铂(Pt)作为对电极；
(3)电解液选择：选用Na2S/Na2SO3作为光化学电池的电解液，其浓度为1.0M，pH为12。
(4)光化学电池连接：将光电极与提供偏压电源的正极连接，对电极与提供偏压电源的负极连接，然后将光电极和对电极同时置于相连通的碱性电解液Na2S/Na2SO3中。
【实施例5】
制备量子点异质结光化学电池S2–b：
(1)光电极制备，包括以下步骤：
(11)电子传输层制备：同实施例4的步骤(11)；
(12)吸光层制备：同实施例4的步骤(12)；
(13)功能层制备：选用BiFeO3(BFO)作为功能层材料，其室温下残余铁电极化值为100μC/cm2，禁带宽度为2.7eV，在MAPbI3量子点吸光层上采用金属氧化物化学气相沉积法制备厚度为50nm的BFO多铁功能层；
(14)光电极封装：同实施例4的步骤(14)；
(2)对电极选择：同实施例4的步骤(2)；
(3)电解液选择：同实施例4的步骤(3)；
(4)光化学电池连接：同实施例4的步骤(4)。
【实施例6】
制备量子点异质结光化学电池S2–c：
(1)光电极制备，包括以下步骤：
(11)电子传输层制备：同实施例4的步骤(11)；
(12)吸光层制备：同实施例4的步骤(12)；
(13)功能层制备：选用BFO作为功能层材料，其室温下残余铁电极化值为100μC/cm2，禁带宽度为2.7eV，在MAPbI3量子点吸光层上采用金属氧化物化学气相沉积法制备厚度为20nm的BFO多铁功能层；
(14)光电极封装：同实施例4的步骤(14)；
(2)对电极选择：同实施例4的步骤(2)；
(3)电解液选择：同实施例4的步骤(3)；
(4)光化学电池连接：同实施例4的步骤(4)。
【对比例1】
制备太阳能电池D1：
(1)电子传输层制备：同实施例1的步骤(1)。
(2)吸光层制备：同实施例1的步骤(2)。
(3)空穴传输层制备：同实施例1的步骤(4)。
(4)电极制备：同实施例1的步骤(5)。
对比例1制得的太阳能电池D1如图6所示。
【对比例2】
制备光化学电池D2：
(1)光电极制备，包括以下步骤：
(11)电子传输层制备：同实施例4的步骤(11)；
(12)吸光层制备：同实施例4的步骤(12)；
(13)光电极封装：同实施例4的步骤(14)；
(2)对电极选择：同实施例4的步骤(2)；
(3)电解液选择：同实施例4的步骤(3)；
(4)光化学电池连接：同实施例4的步骤(4)。
选取上述实施例1-3和对比例1中的太阳能电池进行光电性能测试，采用AM 1.5G的模拟太阳光，其强度为100mW/cm2，测试每个器件的短路电流密度(Jsc)、开路电压(Voc)和转化效率(η)。另外，选取上述实施例4-6和对比例2中的光化学电池进行光电化学性能测试，采用AM 1.5G的模拟太阳光，强度为100mW/cm2，设置光源与工作电极之间的距离为30cm，外加化学电势为+1.23V vs RHE，测试每个器件的光电流密度(Jph)。最终测试结果如表1所示。
表1
实施例/对比例 器件编号 J<sub>sc</sub>/J<sub>ph</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) V<sub>oc</sub>(V) η
实施例1 太阳能电池S1-a 18.0 0.80 7.92％
实施例2 太阳能电池S1-b 12.7 0.73 5.1％
实施例3 太阳能电池S1-c 8.15 0.62 2.8％
实施例4 光化学电池S2-a 15.0 - -
实施例5 光化学电池S2-b 10.0 - -
实施例6 光化学电池S2-c 8.0 - -
对比例1 太阳能电池D1 4.0 0.47 1.13％
对比例2 光化学电池D2 4.0 - -
从表1中可以看出，实施例1-3中的太阳能电池与对比例1中的太阳能电池相比，其短路电流密度明显提高，开路电压也得到提高，转化效率也随之增大，其主要原因是(1)引入的铁电/多铁材料功能层有效地增加了太阳能电池器件内吸光层的电子空穴对的分离效率，载流子传输效率和降低了复合几率；(2)实施例中太阳能电池器件具有更好的材料能级匹配，更小的能级势垒高度；此外，引入的铁电/多铁材料功能层的厚度对于因为残余铁电极化所引起的“退极化电场”的穿透力有着较大影响，功能层太厚，退极化电场无法穿过异质结界面，到达量子点吸光层内，太薄又无法起到对界面处电子传输的阻隔作用和对量子点层表面钝化保护的作用。
实施例1中的CdSe/CdS-BFCO异质结太阳能电池各层材料能级图如图7所示，处于量子点材料导带(CB)的电子经由TiO2电子传输层的CB达到FTO层，FTO层可与外电路相连；量子点材料价带(VB)的空穴经由BFCO功能层的VB到达NiO空穴传输层，再到达Ag电极，Ag电极可与外电路相连。其中，NiO空穴传输层具有阻止电子反向传导的作用，TiO2电子传输层具有阻止空穴反向传导的作用，从而器件的各层材料具有良好的能级匹配。
实施例1-3和对比例1中太阳能电池的“电流-电压”特征曲线图如图8所示，进一步证明了，多铁/铁电材料功能层的引入可以使太阳能电池的短路电流、开路电压和转化效率均得到了成倍的提高。
从表1可以看出，实施例4-6中的光化学电池与对比例2中的光化学电池相比，其光电流密度得到提升，实施例4-6和对比例2的光化学电池“电流-电压”特征曲线图如图9所示，可以证明，引入了多铁/铁电材料功能层的光电化学电池器件(实施例4-6)相比传统的量子点光电化学电池(对比例2)，其在+1.23V(vs RHE)电势处，光电极的光电流增加了2.0～3.75倍，从而可以推测出“对电极Pt”处的析氢量和效率也会得到相应提高。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (15)

1.一种量子点异质结，其特征在于，包括量子点吸光层和多铁/铁电功能层，所述量子点吸光层的材料为量子点材料，所述多铁/铁电功能层的材料为多铁材料或者铁电材料。
2.根据权利要求1所述的量子点异质结，其特征在于，所述量子点材料选自CdSe/CdS、CdSe/CdSexS1-x/CdS、InP/ZnS、InP/ZnSe/ZnS、InP/InAs、PbS/CdS、PbSe、PbS、CuInS2、CuInSe2、钙钛矿量子点中的一种或多种，其中x的取值范围为0≤x≤1。
3.根据权利要求1所述的量子点异质结，其特征在于，所述多铁/铁电功能层的材料为拥有高残余铁电极化值的金属氧化物多铁材料或者铁电材料，优选地，所述多铁/铁电功能层材料的残余铁电极化值大于20μC/cm2，更优选地，所述多铁/铁电功能层材料的残余铁电极化值大于50μC/cm2。
4.根据权利要求3所述的量子点异质结，其特征在于，所述多铁/铁电功能层的材料选自BaTiO3、CaTiO3、PbTiO3、PbZrO3、掺杂Pb(Zr1-xTix)O3、BiFeO3、BiCrO3、BiMnO3、RMnO3、LuFe2O4、CuFeO2、Ca3CoMnO6、Bi2FeYO6、Bi2NiMnO6、Bi2NiReO6中的一种或多种，其中，x的取值范围为0≤x≤1，R表示稀土元素，Y表示Cr、Ni、Ti、Mn中的一种。
5.根据权利要求1-4任一所述的量子点异质结，其特征在于，所述量子点吸光层的厚度为200nm～300nm，所述多铁/铁电功能层的厚度为20nm～50nm。
6.一种量子点异质结太阳能电池，其特征在于，包括依次设置的第一透明电极、第一电子传输层、量子点异质结以及第二电极，所述量子点异质结为权利要求1-5任一项所述的量子点异质结。
7.根据权利要求6所述的量子点异质结太阳能电池，其特征在于，所述第一透明电极的材料选自ITO、FTO中的一种。
8.根据权利要求6所述的量子点异质结太阳能电池，其特征在于，还包括位于所述量子点异质结和所述第二电极之间的第一空穴传输层，所述第一空穴传输层为具有空穴传输功能的p型半导体氧化物层，优选地，所述p型半导体氧化物层的材料为禁带宽度大于3.0eV的p型半导体金属氧化物。
9.根据权利要求8所述的量子点异质结太阳能电池，其特征在于，所述多铁/铁电功能层材料的禁带宽度小于所述p型半导体金属氧化物的禁带宽度。
10.一种异质结光电极，其特征在于，包括依次设置的第三电极、第二电子传输层和量子点异质结，所述量子点异质结为权利要求1-5任一项所述的量子点异质结，所述多铁/铁电功能层设置于远离所述第二电子传输层的一侧。
11.根据权利要求10所述的异质结光电极，其特征在于，所述第二电子传输层为具有电子传输功能的氧化物层，优选地，所述氧化物层的材料为n型半导体金属氧化物，更优选地，所述氧化物层的材料选自TiO2、ZnO及掺杂ZnO、In2O3、Fe3O4、SnO2、RuO2中的一种或多种。
12.根据权利要求10所述的异质结光电极，其特征在于，所述量子点吸光层材料的禁带宽度小于所述多铁/铁电功能层材料的禁带宽度。
13.一种光电化学电池，其特征在于，包括如权利要求10-12任一项所述的异质结光电极、对电极、偏压电源以及电解液，所述异质结光电极与所述对电极分别与所述偏压电源的正、负极连接，所述异质结光电极以及所述对电极分别设于所述电解液中。
14.一种光解水自给系统，其特征在于，包括如权利要求10-12任一项所述的异质结光电极、对电极、提供偏压的太阳能电池、电解液、密封装置以及气体收集装置，所述异质结光电极与所述对电极分别与所述太阳能电池的正、负极连接，所述异质结光电极以及所述对电极分别设于所述电解液中，所述对电极设置于所述密封装置内，所述气体收集装置与所述密封装置连通。
15.根据权利要求14所述的光解水自给系统，其特征在于，所述太阳能电池包括基板、氧化物薄膜电极、吸光层以及第四透明电极，所述吸光层的材料为多铁材料或铁电材料。
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