一種太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料及其制備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光轉(zhuǎn)換材料領(lǐng)域，特別涉及一種太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，太陽(yáng)能電池作為一種新型的能源轉(zhuǎn)換裝置越來(lái)越多的引起人們的關(guān)注，將透過(guò)太陽(yáng)能電池的長(zhǎng)波太陽(yáng)光充分轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能電池可以吸收利用的光是提高太陽(yáng)能電池效率的有效辦法，因此對(duì)調(diào)制太陽(yáng)光光譜的上轉(zhuǎn)換材料的研究也日益廣泛。
[0003]半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有發(fā)射光譜可調(diào)控，光穩(wěn)定性較好，較寬的激發(fā)譜和較窄的發(fā)射譜等多重優(yōu)異性能，是發(fā)光材料領(lǐng)域的熱門研究對(duì)象，但其在上轉(zhuǎn)換應(yīng)用中由于量子點(diǎn)帶隙間無(wú)介穩(wěn)能級(jí)導(dǎo)致雙光子吸收效率很低，從而限制了其發(fā)展和應(yīng)用；大多數(shù)的上轉(zhuǎn)換材料的研究都集中在稀土離子，因?yàn)橄⊥岭x子的f_f躍迀譜線豐富，數(shù)量眾多的亞穩(wěn)能級(jí)可作為光轉(zhuǎn)換過(guò)程的中間態(tài)，更容易實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換過(guò)程，因而在光轉(zhuǎn)換領(lǐng)域廣泛使用。量子點(diǎn)CdSe是一種研究最多的高效率發(fā)光材料，但它雙光子吸收效率低。而Yb3+由于其在紅外光區(qū)具有簡(jiǎn)單的介穩(wěn)能級(jí)結(jié)構(gòu)且紅外光吸收效率高，是一種常用的上轉(zhuǎn)換敏化離子，在CdSe量子點(diǎn)中摻入Yb3+便可綜合它們各自優(yōu)勢(shì)從而提高上轉(zhuǎn)換效率。但由于Cd2+與Yb3+離子半徑差異較大、電荷不匹配且在量子點(diǎn)溶液合成過(guò)程中它們的前驅(qū)體配合物分解溫度差別較大，導(dǎo)致Yb3+很難摻入CdSe量子點(diǎn)或者少量摻入后缺陷過(guò)多使得發(fā)光效率很低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，本發(fā)明的首要目的在于提供一種太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料。
[0005]本發(fā)明另一目的在于提供上述太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的制備方法。該制備過(guò)程采用多步注射合成法，先通過(guò)多次快速注射法得到CdSe量子點(diǎn)，再通過(guò)離子交換法摻雜Yb3+離子，最后通過(guò)多次注射法在材料外表面均勻包覆CdSe層。
[0006]本發(fā)明的目的通過(guò)下述方案實(shí)現(xiàn):
[0007]—種太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料，以CdSe量子點(diǎn)為基質(zhì)，摻雜Yb3+為激活離子，化學(xué)式為CdSe: Yb3+。
[0008]所述的太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的外表面包覆有一層CdSe殼層。
[0009]常溫條件下，所述的太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料可在800?IlOOnm光激發(fā)下發(fā)射640nm橙色光。
[0010]—種上述的太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的制備方法，包括以下具體步驟:
[0011 ] (I)鐿溶液的制備:以水合乙酸鐿，油酸和十八烯為原料在真空條件下加熱攪拌，得鐿溶液；
[0012](2)Se粉的十八烯懸濁液的制備:將Se粉分散于十八烯中，得Se粉的十八烯懸濁液；
[0013](3)Cd溶液的制備:將氧化鎘(CdO)、硬脂酸以及十八烯在真空條件下加熱攪拌，得Cd溶液;
[0014](4)CdSe量子點(diǎn)的制備:取步驟(3)制備的Cd溶液，向其中分批加入Se粉的十八烯懸池液反應(yīng)，得CdSe量子點(diǎn)；
[0015](5)太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的制備:向步驟(4)中制備得到的CdSe量子點(diǎn)中加入鐿溶液進(jìn)行離子交換反應(yīng)，然后再分批加入Se粉的十八烯懸濁液反應(yīng)，得目標(biāo)產(chǎn)物。
[0016]步驟(I)中所用的油酸和十八稀的體積比為1:(9?11);
[0017]步驟(I)中所得的鐿溶液中Yb3+濃度為0.08?0.12moI/L。
[0018]步驟(I)中，所述的加熱攪拌是指在140°C?160 V攪拌30min。
[0019]步驟(2)中所述的分散指超聲分散。
[0020]步驟(2)中所述的Se粉為200目的Se粉。
[0021]步驟(2)中所得的Se粉的十八烯懸浮液的濃度為0.08?0.12mol/L。
[0022]步驟(3)中所用的氧化鎘和硬脂酸的質(zhì)量比為1:(1.0?1.2)。
[0023 ]步驟(3)中所得的Cd溶液中Cd2+濃度為0.04mol/Lo
[0024]步驟(3)中所述的加熱攪拌指在110?130°C攪拌30min。
[0025]步驟(4)中所用的Cd溶液與Se粉的十八烯懸濁液的體積比為(4.5?5.5):1。
[0026]步驟(4)中所述的分批加入Se粉的十八烯懸濁液反應(yīng)是指分兩次加入，每次加入后反應(yīng)lOmin，反應(yīng)溫度為250°C，兩次加入的Se粉的十八稀懸濁液的體積比為1:1。
[0027]步驟(5)中所述的離子交換反應(yīng)是指在265?275°C下反應(yīng)lh。
[0028]步驟(5)中所用的CdSe量子點(diǎn)、鐿溶液和Se粉的十八烯懸濁液的體積比為12:(0.8?1):0.7。
[0029]步驟(5)中所述的分批加入Se粉的十八烯懸濁液反應(yīng)是指分兩次加入，每次加入后反應(yīng)5min，兩次加入的Se粉的十八烯懸濁液的體積比為5:2。
[0030]步驟(5)中反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液進(jìn)行多次萃取、離心分離得純化后稀土摻雜量子點(diǎn)材料。
[0031]本發(fā)明的機(jī)理為:
[0032]Yb3+先吸收一個(gè)近紅外光子或量子點(diǎn)吸收一個(gè)近紅外光子傳遞給Yb3+，在此基礎(chǔ)上再吸收一個(gè)近紅外光子使得量子點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)激子，激子復(fù)合發(fā)射短波長(zhǎng)光子。同時(shí)，通過(guò)多次注入Se粉的十八烯懸浮液，使得量子點(diǎn)外表面生長(zhǎng)薄CdSe殼層，多步注射法有利于控制殼層的生長(zhǎng)，得到更為均勻的結(jié)晶性更好的CdSe殼層，減少Yb3+摻雜后量子點(diǎn)缺陷，使得原來(lái)不發(fā)光的樣品發(fā)射明亮的橙光。
[0033]本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下的優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
[0034](I)本發(fā)明通過(guò)在CdSe量子點(diǎn)中摻雜Yb3+離子，將二者各自在發(fā)光上的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，在800?11 OOnm光激發(fā)下發(fā)射640nm橙色光，實(shí)現(xiàn)了光的上轉(zhuǎn)換。
[0035](2)本發(fā)明在合成過(guò)程中通過(guò)多步注射原料的方法在Cd2+-Yb3+離子交換的量子點(diǎn)表面再生長(zhǎng)薄CdSe殼層以減少Yb3+摻雜后Yb3+周圍的晶格缺陷，使得原來(lái)不發(fā)光的樣品發(fā)射明亮的橙光。
[0036](3)本發(fā)明通過(guò)在CdSe量子點(diǎn)中摻雜Yb3+離子實(shí)現(xiàn)光的上轉(zhuǎn)換，且具有較高的發(fā)光效率，這提供了一種新的光譜調(diào)制以及光轉(zhuǎn)換材料及其制備的途徑，為稀土離子摻雜量子點(diǎn)的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于設(shè)計(jì)高效光電子器件具有重要的指導(dǎo)意義。
【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1為實(shí)施例1中所得太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的發(fā)射光譜；
[0038]圖2為實(shí)施例1中所得太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的激發(fā)光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
[0040]實(shí)施例中所用試劑均可從市場(chǎng)常規(guī)購(gòu)得。
[0041 ] 實(shí)施例1
[0042]準(zhǔn)確稱取水合乙酸鐿(Yb2(CH3COO)3.xH20)0.3502g，油酸(0A，0.895g/mL)2mL，十八烯(0.789g/mL)20mL，于150°C中真空攪拌30min，液體呈淺黃色;將200目Se粉超聲分散于十八烯(0.789g/mL)中形成0.lmol/L懸濁液;稱取氧化鎘(CdO)0.0512g，硬脂酸0.5690g和十八烯(0.789g/mL)10mL加入三頸燒瓶中，于120°C真空攪拌30分鐘，升溫至250°C，獲得Cd溶液;取ImLSe粉的十八烯懸濁液注入三頸燒瓶Cd溶液中，10分鐘后再次注入Se粉的十八烯懸濁液約lmL，10分鐘后升溫至265°C，注入約ImL鐿溶液并保溫I小時(shí)，然后注入0.5mLSe的十八稀懸池液，5分鐘后再次注入Se的十八稀懸池液約0.2mL，反應(yīng)5分鐘。
[0043]取2mL反應(yīng)后的溶液加入0.5mL丁基胺、4mL甲醇，搖勾，在50°C水浴加熱后，2500轉(zhuǎn)/分鐘離心，取底層相，加入2mL正己燒和4mL甲醇，搖勾，離心；取底層相，加入0.05mL氯仿、ImL正己烷和4mL甲醇，搖勾，離心，取底層相得所需太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料。
[0044]圖1為實(shí)施例1中所得太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的發(fā)射光譜圖。從圖1中可以看出，在800?IlOOnm光激發(fā)情況下，太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料在640nm有發(fā)射峰，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波光向短波光的上轉(zhuǎn)換過(guò)程。
[0045]圖2為實(shí)施例1所得太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的激發(fā)光譜圖。從圖1中可以看出，在發(fā)射640nm光的情況下，所得太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的激發(fā)峰位于800?IlOOnm之間，說(shuō)明材料可以在長(zhǎng)波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)射短波長(zhǎng)光，有效實(shí)現(xiàn)了光的上轉(zhuǎn)換過(guò)程。
[0046]實(shí)施例2
[0047]準(zhǔn)確稱取水合乙酸鐿(Yb2(CH3COO)3.xH20)0.3502g，油酸(0A，0.895g/mL)2mL，十八烯(0.789g/mL)20mL，于150°C中真空攪拌30min，液體呈淺黃色;將200目Se粉超聲分散于十八烯(0.789g/mL)中形成0.lmol/L懸濁液;稱取氧化鎘(CdO)0.0512g，硬脂酸0.5690g和十八烯(0.789g/mL)10mL加入三頸燒瓶中，于110°C真空攪拌30分鐘，升溫至250°C，獲得Cd溶液;取ImLSe粉的十八烯懸濁液注入三頸燒瓶Cd溶液中，10分鐘后再次注入Se粉的十八烯懸濁液約lmL，10分鐘后升溫至275°C，注入約ImL鐿溶液并保溫I小時(shí)，然后注入0.5mLSe的十八稀懸池液，5分鐘后再次注入Se的十八稀懸池液約0.2mL，反應(yīng)5分鐘。
[0048]取2mL反應(yīng)后的溶液加入0.5mL丁基胺、4mL甲醇，搖勾，在50°C水浴加熱后，2500轉(zhuǎn)/分鐘離心，取底層相，加入2mL正己燒和4mL甲醇，搖勾，離心；取底層相，加入0.05mL氯仿、ImL正己烷和4mL甲醇，搖勾，離心，取底層相得所需太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料。
[0049]經(jīng)測(cè)試，實(shí)施例2中所得太陽(yáng)能電池光轉(zhuǎn)換用稀土摻雜量子點(diǎn)材料的發(fā)射光譜圖與圖1相似，激發(fā)光譜圖與圖2相似。
[0050]實(shí)施例3
[0051 ]準(zhǔn)確稱取水合乙酸鐿(Yb2(CH3COO)3.xH20)0.3502g，油酸(0A，0.895g/mL)2mL，十八烯(0.789g/mL)20mL，于150°C中真空攪拌30min，液體呈淺黃色;將200目Se粉超聲分散于十八烯(0.789g/mL)中形成0.lmol/L懸濁液;稱取氧化鎘(CdO)0.0512g，硬脂酸0.5690g和十八烯(0.789g/mL)10mL加入三頸燒瓶中，于120°C真空攪拌30分鐘，升溫至250°C，獲得Cd溶液;取ImLSe粉的十八烯懸濁液注入三頸燒瓶Cd溶液中，10分鐘后再次注入Se粉的十八烯懸濁液約lmL，10分鐘后升溫至270°C，注入約ImL鐿溶液并保溫I小時(shí)，然后