用于太阳能电池的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂制备方法.pdf

本发明涉及一种用于太阳能电池的La掺杂CdS/CdSe量子点敏化剂制备方法，该方法是将La杂质原子掺杂到CdS半导体量子点，再跟CdSe量子点共敏化作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。通过优化电池内部电荷的传输路径，电子空穴可以更加快速的分离，使得电子更有效的注入到TiO2的导带中，降低了暗电流，提高了太阳能电池的短路电流、开路电压以及光电转换效率。此方法简单，易于操作，成本低，可大面积制作。

1.  用于太阳能电池的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂制备方法，其特征在于所述方法是 将杂质原子掺杂到半导体量子点中，作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。

2.  根据权利要求1所述的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂，其特征在于所述的半导体量 子点为硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)。

3.  根据权利要求1所述的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂，其特征在于所述的制备方法 为连续离子层吸附与反应(Successive Ionic Layer Adsorption and Reaction，SILAR)。

4.  根据权利要求1所述的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂，其特征在于所述的杂质原子 为镧(La)。

5.  根据权利要求1所述的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂，其特征在于所述的La杂质原 子掺入CdS量子点形成La掺杂的CdS/CdSe半导体量子点。

6.  根据权利要求1所述的太阳能电池，其特征在于所述的La掺杂CdS半导体量子点 与CdSe量子点共敏化作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。

7.  根据权利要求1所述的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂，其特征在于所述方法的具体 步骤为：
1)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阳离子Cd²⁺的可溶性盐溶液，放入20-50℃ 的水浴中恒温30-60min；
2)将含有La杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤1)配备的阳离子溶液中，其中杂质 原子与半导体量子点摩尔浓度之比为1∶1-1∶1000；
3)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阴离子S^2-的可溶性盐溶液，放入20-50℃ 的水浴中恒温30-60min；
4)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阴离子Se^2-的可溶性盐溶液，放入20-50℃ 的水浴中恒温30-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤2)制备的溶液中1-10min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤3)制备的阴离子溶液中1-10min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干；
7)将步骤6)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的阳离子溶液中1-10min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干；
8)将步骤7)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的阴离子溶液中1-60min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成La掺杂CdS量子点与CdSe量子 点共敏化剂层。

用于太阳能电池的镧掺杂硫化镉/硒化镉敏化剂制备方法
技术领域
本发明属于太阳能技术领域，更具体涉及一种用于太阳能电池的镧掺杂硫化镉/硒 化镉敏化剂制备方法。
背景技术
随着全球经济的迅速发展，人口的持续增长以及人类对能源的依赖性逐渐加深， 能源危机和环境污染问题已成为21世纪人类面临的首要问题。面对全球石化能源日益枯竭， 取之不尽用之不竭的太阳能无疑是人类未来能源发展的首选。因此，以太阳能作为新能源 供应来源最受注目，从技术发展过程或未来前瞻性都受到各界密切的关注。通过光电效应直 接把光能转化为电能的装置就是太阳能电池。在各类新型太阳能电池中，染料敏化太阳能电 池(DSSCs)以低成本、制作工艺简单、相对较高的光电转换效率而成为研究热点(O’Regan，B.， M.，Nature，1991，353，737)。DSSCs是将吸附了染料的宽禁带半导体纳米晶薄膜作为 正极，表面镀有一层铂的导电玻璃作为对电极，正极和对电极之间加入氧化-还原电解质形成 的。染料分子吸收太阳光能，电子从基态跃迁到激发态，激发态上面的电子快速注入紧邻的 TiO₂导带，染料中失去的电子很快从电解质中得到补偿，进入TiO₂导带中的电子最终进入导 电膜，然后通过外电路到对电极产生光电流。然而，染料的稳定性还有待进一步的提高，而 且价格也相对较高，所以采用价格便宜的窄禁带无机半导体量子点作为敏化剂，可以降低电 池的成本，提高稳定性，这种电池称为量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)。一般染料吸收一 个光子最多产生一个电子，量子点可以由一个高能光子产生多个电子，大大提高量子产率 (Nozik，A.J.，Physica E，2002，14，115)。
但是目前利用量子点敏化的太阳能电池QDSSCs，其总体表现还低于DSSCs。为 了提高QDSSCs的光电转换效率，广泛开展了对QDSSCs的改性工作，其中对量子点进行掺 杂也是一种常用的有效方法，CN102163502A公开了一种在CdS量子点中掺杂了Ca杂质离 子的方法，提高了CdS的导带，改善了CdS量子点在电极材料表面的吸附状况，抑制了暗电 流的产生，提高了太阳能电池的短路电流和光电转换效率。CN102760580A公开了一种Co 掺杂CdSe量子点敏化TiO₂纳米棒光电极的方法。Co对CdSe的掺杂一方面可以调节其带隙， 使其在可见光范围内的吸收增强，吸收范围拓宽，进而提高了光利用率，另一方面Co的掺 杂可以增加其载流子浓度，提高电子的传输速率，增加电极收集电子的效率，从而提高光电 流密度。另外，(Pralay K.Santra，J.Am.Chem.Soc.2012，134，2508-2511)通过SILAR方法 将Mn²⁺掺入到CdS量子点中，使得电子能够更加有效地注入到TiO₂中，提高了太阳能电池 的短路电流、开路电压和光电转换效率。(Jin-Wook Lee，SCIENTIFIC REPORTS|3：1050| DOI：10.1038/srep01050)通过SILAR方法将Hg²⁺掺杂到PbS量子点中，增强了电子注入， 抑制了电荷复合，使得电流密度提高了一倍，电池效率达到了5.6％。但是，目前通过SILAR 方法对CdS量子点掺杂稀土元素La作为敏化剂来提高太阳能电池的性能参数的工作还未见 报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于太阳能电池的La掺杂CdS/CdSe敏化 剂制备方法，以此改性CdS半导体量子点的光电特性，使得电子空穴可以更加快速有效地分 离，减少了电池内部的复合中心，降低了暗电流，电子能够更加有效地注入到TiO₂中，进而 提高了太阳能电池的短路电流、开路电压以及光电转换效率。
本发明是通过以下技术方案实施的：
用于太阳能电池的镧掺杂硫化镉/硒化镉量子点敏化剂制备方法，该方法是将La³⁺掺杂到 CdS量子点，与CdSe量子点共敏化作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。
所述方法的具体步骤为：
1)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阳离子Cd²⁺的可溶性盐溶液，放入20-50℃ 的水浴中恒温30-60min；
2)将含有La杂质原子的可溶性盐溶液加入步骤1)配备的阳离子溶液中，其中杂质 原子与半导体量子点摩尔浓度之比为1∶1-1∶1000；
3)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阴离子S^2-的可溶性盐溶液，放入20-50℃ 的水浴中恒温30-60min；
4)配备浓度为0.01M-1M含有半导体量子点阴离子Se^2-的可溶性盐溶液，放入20-50℃ 的水浴中恒温30-60min；
5)将待敏化的宽禁带半导体光阳极材料浸入步骤2)制备的溶液中1-10min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤3)制备的阴离子溶液中1-10min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干；
7)将步骤6)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的阳离子溶液中1-10min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干；
8)将步骤7)得到的光阳极材料浸入步骤4)制备的阴离子溶液中1-60min，取出用 相应溶剂冲洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成La掺杂CdS量子点与CdSe量子 点共敏化剂层。
本发明的优点在于：在此以La、CdS摩尔浓度比为1∶100的La³⁺掺杂到CdS半导 体量子点为例来说明。将La³⁺掺杂到CdS量子点，与CdSe量子点共敏化作为敏化剂组装成 量子点敏化太阳能电池。通过优化电池内部电荷的传输路径，从而使得电子空穴可以更加快 速的分离，而使得电子更有效的注入到TiO₂的导带中，降低了暗电流，提高了太阳能电池的 短路电流、开路电压以及光电转换效率。在100mW/cm²的光强条件下，该太阳能电池的短 路电流密度为5.80mA/cm²，开路电压为0.43V，光电转换效率为0.66％。未掺杂的CdS/CdSe 量子点敏化太阳能电池的短路电流密度为3.88mA/cm²，开路电压为0.42V，光电转换效率 0.54％。进行La掺杂CdS之后，短路电流密度提高了49％，开路电压提高了2％，光电转换 效率提高了21％。
本发明将通过下面实例来进行举例说明，但是，本发明并不限于这里所描述的实 施方案，本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明。对于本领域的技术人员对本发明的内容 所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。
附图说明
图1为La掺杂CdS/CdSe光阳极与未掺杂的CdS/CdSe光阳极的紫外可见吸收光谱 图；其中，A曲线对应于未掺杂的CdS/CdSe光阳极的紫外可见吸收光谱，B曲线对应于La 掺杂CdS/CdSe光阳极的紫外可见吸收光谱；
图2为La掺杂CdS/CdSe与未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的J-V曲线； 其中，C对应于未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池，D对应于La掺杂CdS/CdSe量 子点敏化太阳能电池；
图3为La掺杂CdS/CdSe与未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的性能参数；
图4为La掺杂CdS/CdSe与未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的光电转化 效率曲线；其中，E对应于未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池，F对应于La掺杂 CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池；
图5为La掺杂CdS/CdSe与未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池的电化学交 流阻抗谱；其中，G对应于未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池，H对应于La掺杂 CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池，插图为电化学交流阻抗谱的等效电路；
图6为La掺杂CdS/CdSe与未掺杂的CdS/CdSe量子点敏化太阳能电池电化学交流 阻抗谱的参数；
图7为La掺杂CdS对应的能级图。
具体实施方式
镧掺杂硫化镉/硒化镉量子点敏化太阳能电池及其制备方法，该方法是将La³⁺掺杂 到CdS量子点，再跟CdSe量子点共敏化作为敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。
实施例1
镧掺杂硫化镉/硒化镉量子点敏化剂制备方法的具体步骤为：
1)配备浓度为0.1M的Cd(NO₃)₂溶液和Na₂S溶液，放入20-50℃的水浴中30-60min；
2)将LaCl₃加入步骤1)配备的Cd(NO₃)₂溶液当中，其中La³⁺与Cd²⁺的摩尔浓度比为1∶1；
3)将步骤2)所得的溶液放入30℃的水浴中30min；
4)将待敏化的光阳极材料TiO₂浸入步骤3)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干 净，并用氮气吹干；
5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的Na₂S溶液中5min，取出用相应溶剂 清洗干净，并用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的Cd(NO₃)₂溶液中5min，取出用相应 溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
7)将步骤6)得到的光阳极材料浸入回流法制备的Na₂SeSO₃溶液(将浓度为0.12M的 Na₂SO₃、0.06M的Se粉，再加入少量的人造沸石，溶解在去离子水中。用回流方法，在70℃、 水浴条件下进行7h。最后过滤，除去未反应的Se粉和人造沸石)中，在50℃条件下水浴30min， 取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了La掺CdS/CdSe半导体 量子点敏化剂层。
实施例2
镧掺杂硫化镉/硒化镉量子点敏化剂制备方法的具体步骤为：
1)配备浓度为0.1M的Cd(NO₃)₂溶液和Na₂S溶液，放入20-50℃的水浴中30-60min；
2)将LaCl₃加入步骤1)配备的Cd(NO₃)₂溶液当中，其中La³⁺与Cd²⁺的摩尔浓度比为1∶500；
3)将步骤2)所得的溶液放入30℃的水浴中30min；
4)将待敏化的光阳极材料TiO₂浸入步骤3)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干 净，并用氮气吹干；
5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的Na₂S溶液中5min，取出用相应溶剂 清洗干净，并用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的Cd(NO₃)₂溶液中5min，取出用相应 溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
7)将步骤6)得到的光阳极材料浸入回流法制备的Na₂SeSO₃溶液(将浓度为0.12M的 Na₂SO₃、0.06M的Se粉，再加入少量的人造沸石，溶解在去离子水中。用回流方法，在70℃、 水浴条件下进行7h。最后过滤，除去未反应的Se粉和人造沸石)中，在50℃条件下水浴30min， 取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了La掺CdS/CdSe半导体 量子点敏化剂层。
实施例3
镧掺杂硫化镉/硒化镉量子点敏化剂制备方法的具体步骤为：
1)配备浓度为0.1M的Cd(NO₃)₂溶液和Na₂S溶液，放入20-50℃的水浴中30-60min；
2)将LaCl₃加入步骤1)配备的Cd(NO₃)₂溶液当中，其中La³⁺与Cd²⁺的摩尔浓度比为 1∶1000；
3)将步骤2)所得的溶液放入30℃的水浴中30min；
4)将待敏化的光阳极材料TiO₂浸入步骤3)制备的溶液中5min，取出用相应溶剂清洗干 净，并用氮气吹干；
5)将步骤4)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的Na₂S溶液中5min，取出用相应溶剂 清洗干净，并用氮气吹干；
6)将步骤5)得到的光阳极材料浸入步骤1)制备的Cd(NO₃)₂溶液中5min，取出用相应 溶剂清洗干净，并用氮气吹干；
7)将步骤6)得到的光阳极材料浸入回流法制备的Na₂SeSO₃溶液(将浓度为0.12M的 Na₂SO₃、0.06M的Se粉，再加入少量的人造沸石，溶解在去离子水中。用回流方法，在70℃、 水浴条件下进行7h。最后过滤，除去未反应的Se粉和人造沸石)中，在50℃条件下水浴30min， 取出用相应溶剂清洗干净，并用氮气吹干，则在光阳极材料上形成了La掺CdS/CdSe半导体 量子点敏化剂层。