鎂摻雜亞碲酸鎘量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域，更具體涉及一種用于太陽(yáng)能電池的摻雜量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，人類社會(huì)正面臨著環(huán)境不斷惡化和能源日漸短缺的嚴(yán)重問(wèn)題，能源危機(jī)已經(jīng)愈演愈烈，然而現(xiàn)今的能源供給依然主要依賴于化石能源，隨著地球上化石燃料的逐漸耗盡及環(huán)境污染的日趨加重，人們不得不尋找新的可再生能源。安全可靠、無(wú)污染的太陽(yáng)能無(wú)疑是人類未來(lái)能源發(fā)展的首選。因此，以太陽(yáng)能作為新能源供應(yīng)來(lái)源最受注目，從技術(shù)發(fā)展過(guò)程或未來(lái)前瞻性都受到各界密切的關(guān)注。通過(guò)光電效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化為電能的裝置就是太陽(yáng)能電池。在各類新型太陽(yáng)能電池中，由于量子點(diǎn)具有量子限域效應(yīng)、帶隙可調(diào)、多激子效應(yīng)、高消光系數(shù)、制造成本低等特點(diǎn),近年來(lái)用無(wú)機(jī)量子點(diǎn)替代有機(jī)染料作為光敏化劑的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池(Quantum dots-Sensitized Solar Cells,QDSCs)被廣泛研究。QDSCs是將吸附了量子點(diǎn)的寬禁帶半導(dǎo)體納米晶薄膜作為正極，表面鍍有一層鉬的導(dǎo)電玻璃作為對(duì)電極，正極和對(duì)電極之間加入氧化-還原電解質(zhì)形成的。量子點(diǎn)吸收太陽(yáng)光能，電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)上面的電子快速注入緊鄰的T12導(dǎo)帶，量子點(diǎn)中失去的電子很快從電解質(zhì)中得到補(bǔ)償，進(jìn)入T12導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電玻璃，然后通過(guò)外電路到對(duì)電極產(chǎn)生光電流。雖然QDSCs的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)得到了極大的提高，但是其效率還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其30%的理論效率。為了進(jìn)一步提高QDSCs的效率，有科研工作者將基于T12的η型QDSCs與基于N1的P型QDSCs串聯(lián)成一塊電池形成了疊層太陽(yáng)能電池(Tandem SolarCells)。染料疊層太陽(yáng)能電池的理論效率是43%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)單結(jié)η型或P型DSSCs的理論效率，其開(kāi)路電壓等于η型電池和P型電池開(kāi)路電壓之和，短路電流是取決于光陽(yáng)極和光陰極電流的最小者，這是由串聯(lián)電路的特點(diǎn)決定的。
[0003]然而量子點(diǎn)疊層太陽(yáng)能電池的電流是由η型和P型QDSCs電流較小者決定，所以量子點(diǎn)敏化疊層太陽(yáng)能電池的電流被較差的P型量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池電流所束縛，致使量子點(diǎn)敏化疊層太陽(yáng)能電池的高理論效率未能實(shí)現(xiàn)。為了提高QDSSCs的光電轉(zhuǎn)換效率，η型QDSCs廣泛開(kāi)展了對(duì)QDSSCs的改性工作，其中對(duì)量子點(diǎn)進(jìn)行摻雜也是一種常用的有效方法，CN102163502A公開(kāi)了一種在CdS量子點(diǎn)中摻雜了 Ca雜質(zhì)離子的方法，提高了 CdS的導(dǎo)帶，改善了 CdS量子點(diǎn)在電極材料表面的吸附狀況，抑制了暗電流的產(chǎn)生，提高了太陽(yáng)能電池的短路電流和光電轉(zhuǎn)換效率。另外，(Pralay K.Santra, J.Am.Chem.Soc.2012,134,2508-2511)通過(guò)SILAR方法將Mn2+摻入到CdS量子點(diǎn)中，使得電子能夠更加有效地注入到T12中，提高了太陽(yáng)能電池的短路電流、開(kāi)路電壓和光電轉(zhuǎn)換效率。但是，目前通過(guò)SILAR方法對(duì)CdTeO3量子點(diǎn)摻雜Mg作為敏化劑來(lái)提高基于P型N1的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的性能參數(shù)的工作還未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了提高基于P型N1的QDSCs的性能，本發(fā)明提供了一種用于太陽(yáng)能電池的Mg摻雜CdTeO3量子點(diǎn)敏化劑及其制備方法，以此改性CdTeO3量子點(diǎn)的光電特性，使得空穴能夠更加有效地注入到N1中，減少了電池內(nèi)部的復(fù)合中心，降低了暗電流，使得電子空穴可以更加快速有效地分離，進(jìn)而提高了太陽(yáng)能電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。
[0005]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)施的:
鎂摻雜亞碲酸鎘量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池及其制備方法，該方法是將Mg2+摻雜到CdTeO3量子點(diǎn)中作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。
[0006]所述方法的具體步驟為:
1)配備濃度為0.01M-1M含有量子點(diǎn)陽(yáng)離子的可溶性鹽溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫 30_60min ；
2)將含有Mg雜質(zhì)原子的可溶性鹽溶液加入步驟I)配備的陽(yáng)離子溶液當(dāng)中，其中雜質(zhì)原子與量子點(diǎn)原子個(gè)數(shù)之比為1: 1-1: 100；
3)配備濃度為0.01M-1M含有半導(dǎo)體量子點(diǎn)陰離子的可溶性溶液，放入20-50°C的水浴中恒溫30-60min ；
4)將待敏化的寬禁帶半導(dǎo)體光陰極材料浸入步驟2)制備的溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用加熱臺(tái)干燥；
5)將步驟4)得到的光陰極材料浸入步驟3)制備的陰離子溶液中Ι-lOmin，取出用相應(yīng)溶劑清洗干凈，并用加熱臺(tái)干燥，則在光陰極材料上形成Mg摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)敏化劑層；
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:在此以Mg、Cd原子個(gè)數(shù)比為1: 30的Mg離子摻雜到CdTeO3量子點(diǎn)為例來(lái)說(shuō)明。將Mg離子摻雜到CdTeO3量子點(diǎn)中作為敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，通過(guò)優(yōu)化電池內(nèi)部電子空穴的傳輸路徑，從而使得電子空穴可以更加快速的分離，而使得空穴更有效的注入到N1的價(jià)帶中，降低了暗電流，提高了太陽(yáng)能電池的短路電流密度和光電轉(zhuǎn)換效率。在lOOmW/cm2的光強(qiáng)條件下，該太陽(yáng)能電池的短路電流密度為0.387mA/cm2，開(kāi)路電壓為95.lmV，光電轉(zhuǎn)換效率為0.016%，比未摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的短路電流密度提高了 11.2%，光電轉(zhuǎn)換效率提高了 0.6%。
[0008]本發(fā)明將通過(guò)下面實(shí)例來(lái)進(jìn)行舉例說(shuō)明，但是，本發(fā)明并不限于這里所描述的實(shí)施方案，本發(fā)明的實(shí)施例僅用于進(jìn)一步闡述本發(fā)明。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容所進(jìn)行的替代、改動(dòng)或變更，這些等價(jià)形式同樣落入本申請(qǐng)所限定的范圍內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為摻雜了 Mg離子的CdTeO3量子點(diǎn)與未摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜圖；其中，A曲線對(duì)應(yīng)于未摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜，B曲線對(duì)應(yīng)于Mg摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)的紫外可見(jiàn)吸收光譜；
圖2為Mg摻雜CdTeO3與未摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的J-V曲線；其中，C對(duì)應(yīng)于未摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池，D對(duì)應(yīng)于Mg摻雜的CdTeO3量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池；
圖3為Mg摻雜CdTeO3