CN106486289A - 一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法。该方法是采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点粉末；然后将POSS修饰到CdTe量子点表面，利用POSS修饰后的CdTe量子点作为光敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。该方法是一种简单可行的OA‑POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，解决量子点稳定性差和光阳极与量子点界面间电子空穴复合严重的问题。在CdTe量子点表面修饰OA‑POSS，能够改变CdTe量子点的光电特性，有效钝化量子点，减少量子点表面的缺陷，增加量子点的稳定性，使得电子更有效地注入到TiO2中，进而提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，具体是一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法。
背景技术
太阳能具有取用不尽、绿色清洁的特点，是解决人类面临的能源和环境问题的理想的新型绿色能源。在太阳能利用中，太阳能电池以其安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得等优点而备受关注。量子点敏化太阳能电池是第三代新型太阳能电池，以其理论转换效率高达66％而被称为最具研究潜力的太阳能电池，同时量子点敏化太阳能电池具有独特的多重激子效应、廉价以及制作工艺简单等优势。其中量子点作为光捕获剂，有很多独特的优势，量子点的颗粒尺寸可以通过改变合成条件控制，从而实现对吸收光谱范围的调控；量子点有较大的消光系数，能吸收大量的光子；量子点存在多重激子效应，可以提高太阳能电池的光电流和光电转换效率。
目前，量子点敏化太阳能电池的光电转换效率较低，因此制备高转换效率和高稳定性的量子点敏化太阳能电池成为研究人员的共同目标。优化量子点材料的类型和尺寸、电极电导性的选择、对电极材料和电解液的表面处理，都是提高量子点敏化太阳能电池转换效率的可行方法。
POSS是多面体低聚倍半硅氧烷的简称，它是一种包含有机-无机杂化结构的纳米材料，无机框架为由Si-O-Si键组成的笼状结构，Si上可带有多种功能化的有机取代基团。POSS中的有机基团可以作为进一步功能化的活性位点，而刚性的Si-O-Si笼状结构增强了POSS的热稳定性、热机械性，加之POSS的抗氧化和抗腐蚀性等优良性质，POSS已被用于生物、医学、光电器件等多个领域(M.Liras,J.Mater.Chem.,2011,21,12803-12811.)。目前，POSS作为一种高性能的表面修饰剂，在提高石墨烯纳米片、Au(POSS-Au复合纳米颗粒)和Pd纳米 颗粒的稳定性上已有所应用，但作为量子点表面修饰剂的研究目前还比较少。王忠胜等(Z.S.Wang,Chem.COAmun.,2014,50,1685-1687.)将修饰八个咪唑碘盐基团的POSS(POSS-8EsPImI)用作固态染料敏化太阳能电池中的固态电解质，由于POSS中的Si-O键作用，POSS-8EsPImI在TiO2表面有很好的润湿性，因此可在TiO2表面实现良好的附着和填充，从而有效提高了该电池的转换效率(7.11％)，该电池在一倍太阳光强的长期照射下还具有很好的稳定性。目前还没有其作为太阳能电池光敏化剂方面的文献报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法。该方法是将POSS修饰到CdTe量子点表面，利用POSS修饰后的CdTe量子点作为光敏化剂组装成量子点敏化太阳能电池。该方法能够改变CdTe量子点的光电特性，减少量子点表面的缺陷，增加量子点的稳定性，使得电子更有效地注入到TiO2中，进而提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)CdTe量子点的制备：采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点粉末；
(2)POSS修饰CdTe量子点：将步骤1)得到CdTe量子点粉末配置成CdTe量子点溶液，将偶联剂EDC加入到CdTe量子点溶液中搅拌30-60min，其中摩尔比CdTe：EDC＝1:50-1000；然后加入OA-POSS溶液后室温搅拌4-6h，其中CdTe与OA-POSS的摩尔比为1:10-1000；提纯后，得到OA-POSS修饰CdTe量子点粉末；
(3)量子点敏化太阳能电池的组装：将步骤2)得到的OA-POSS修饰CdTe量子点粉末配置成OA-POSS修饰CdTe量子点溶液并调整pH值至9-11；然后加入TGA，TGA与OA-POSS修饰CdTe量子点溶液的体积比为1:100-500；将二氧化钛光阳极浸泡在OA-POSS修饰CdTe量子点溶液中12-36小时；然后与对电极CuS组装成三明治结构，并二氧化钛光阳极与对电极CuS之间注入硫离 子电解液，形成OA-POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池。
步骤1)中所述水相法冷凝回流制备CdTe量子点粉末的具体方法是：将NAC溶解于水中，室温下搅拌至混合均匀；然后加入CdCl2溶液，得到含Cd2+的前驱体溶液；搅拌后加入过量KBH4，然后加入Na2TeO3水溶液，室温下搅拌至透明均一的溶液；然后调整溶液的pH值为9-11.5；再在90-100℃的条件下加热，制备得到不同粒径的CdTe量子点，其中摩尔比NAC/Cd2+/Te2-＝1.2:1:0.2；提纯后，得到CdTe量子点粉末。
所述提纯方法是：将CdTe量子点由乙醇沉淀后，在离心机内进行离心提纯，然后放在干燥箱内40℃-80℃干燥1-48h。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本方法是一种简单可行的OA-POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，解决量子点稳定性差和光阳极与量子点界面间电子空穴复合严重的问题。在CdTe量子点表面修饰OA-POSS，能够改变CdTe量子点的光电特性，有效钝化量子点，减少量子点表面的缺陷，增加量子点的稳定性，使得电子更有效地注入到TiO2中，进而提高量子点敏化太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
(2)本方法由于在量子点表面修饰了OA-POSS，OA-POSS中的Si-O无机核起到了非常好的空间稳定作用，而电解液分子可以容易地通过Si-O笼状结构到达TiO2表面，增加量子点稳定性的同时，实现了TiO2光阳极与CdTe量子点间的界面改性，有效减少电荷复合，增加光生电子注入TiO2光阳极薄膜的注入效率和收集效率，提高了量子点敏化太阳能电池的光电流和光电转换效率。
附图说明
图1为本发明POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法实施例1的CdTe量子点修饰前后以及POSS的傅立叶变换红外光谱图；
图2为本发明POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法实施例1的OA-POSS修饰CdTe量子点后透射图；
图3为本发明POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法实施例1 的CdTe量子点修饰前后的电池的J-V曲线；
图4为本发明POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法实施例1的CdTe量子点修饰前后的电池的电化学交流阻抗谱；
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。
本发明提供了一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)CdTe量子点的制备：采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点；将NAC(N-乙酰-L-半胱氨酸)溶解于水中，室温下搅拌至混合均匀；然后加入CdCl2溶液，得到含Cd2+的前驱体溶液；剧烈搅拌后加入过量KBH4，然后立即逐滴加入Na2TeO3水溶液，室温下搅拌至透明均一的溶液；然后用NaOH溶液调整溶液的pH值为9-11.5；再在90-100℃的条件下加热，制备得到不同粒径的CdTe量子点，其中摩尔比NAC/Cd2+/Te2-＝1.2:1:0.2；提纯后，得到CdTe量子点粉末；
(2)POSS修饰CdTe量子点：利用OA-POSS修饰CdTe量子点；将步骤1)得到CdTe量子点粉末溶于水配置成CdTe量子点溶液，将偶联剂EDC加入到CdTe量子点溶液中搅拌30-60min，其中摩尔比CdTe：EDC＝1:50-1000；然后加入OA-POSS溶液后室温搅拌4-6h，使OA-POSS在CdTe量子点表面进行充分修饰，其中CdTe与OA-POSS的摩尔比为1:10-1000；提纯后，得到OA-POSS修饰CdTe量子点粉末；
(3)量子点敏化太阳能电池的组装：将步骤2)得到的OA-POSS修饰CdTe量子点粉末溶于水配置成OA-POSS修饰CdTe量子点溶液并用NaOH溶液调整pH值至9-11；然后加入TGA(巯基乙酸)作为分子连接剂，TGA与OA-POSS修饰CdTe量子点溶液的体积比为1:100-500；将二氧化钛光阳极浸泡在OA-POSS修饰CdTe量子点溶液中12-36小时，TGA将OA-POSS修饰CdTe量子点连接在二氧化钛光阳极表面；然后与对电极CuS组装成三明治结构，并二氧化钛光阳极与对电极CuS之间注入硫离子电解液，形成OA-POSS修饰CdTe 量子点敏化太阳能电池。
所述提纯方法是为了除掉反应过程中的多余试剂及副产物，将CdTe量子点由乙醇沉淀后，在离心机内进行离心提纯，然后放在干燥箱内40℃-80℃干燥1-48h。
实施例1
(1)CdTe量子点的制备：采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点；将NAC溶解于水中，室温下搅拌至混合均匀；然后加入CdCl2溶液，得到含Cd2+的前驱体溶液；剧烈搅拌后加入过量KBH4，然后加入Na2TeO3水溶液，室温下搅拌至透明均一的溶液；然后调整溶液的pH值至11；再在100℃的条件下加热，制备得到不同粒径的CdTe量子点，其中摩尔比NAC/Cd2+/Te2-＝1.2:1:0.2；提纯后，得到CdTe量子点粉末；
(2)POSS修饰CdTe量子点：利用OA-POSS修饰CdTe量子点；将步骤1)得到CdTe量子点粉末溶于水配置成CdTe量子点溶液，将偶联剂EDC加入到CdTe量子点溶液中搅拌30min，其中摩尔比CdTe：EDC＝1:500；加入OA-POSS溶液后室温搅拌4h，使OA-POSS在CdTe量子点表面进行充分修饰，其中CdTe与OA-POSS的摩尔比为1:10；提纯后，得到OA-POSS修饰CdTe量子点粉末；
(3)量子点敏化太阳能电池的组装：将步骤2)得到的OA-POSS修饰CdTe量子点粉末溶于水配置成OA-POSS修饰CdTe量子点溶液并调整pH值至10；然后加入TGA，TGA与OA-POSS修饰CdTe量子点溶液的体积比1:300；将二氧化钛光阳极浸泡在OA-POSS修饰CdTe量子点溶液中24小时，TGA将OA-POSS修饰CdTe量子点连接在二氧化钛光阳极表面；然后与对电极CuS组装成三明治结构，并二氧化钛光阳极与对电极CuS之间注入硫离子电解液，形成OA-POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池。
实施例的测试结果如下：
表1实施例1中的CdTe量子点修饰前后的电池的性能参数
图1为CdTe量子点修饰前后以及OA-POSS的傅立叶变换红外光谱图，在经过OA-POSS修饰的CdTe量子点中，在1123cm-1和1030cm-1处的吸收峰分别归属于Si-O-Si的特征吸收和Si-O-Si的笼型骨架结构的振动，而未经过修饰的CdTe量子点并没有此特征吸收，证明OA-POSS对量子点的成功修饰。
图2为OA-POSS修饰量子点之后的透射图片，从图中可以看出量子点均为近球形，粒径分布较均匀，具有较好的单分散性。右上角插图是量子点局部放大图，可以看出量子点的晶格条纹明显，条纹间距是0.36nm，对应于立方闪锌矿结构的CdTe量子点的(111)面，而且量子点结晶度较好。
图3和表1分别为CdTe量子点修饰前后的电池的J-V曲线及性能参数，测试条件是AM1.5光照强度100mW/cm2进行的，通过比较可知，电池的开路电压由0.53V提高到0.56V，短路电流由4.4mA/cm2提高到6.2mA/cm2，电池的光电转化效率由原来的1.17％提高到1.87％，提高60％。
图4为CdTe量子点修饰前后的电池的电化学交流阻抗谱，两个半圆分别对应于高频部分对电极/电解液界面及电解液中的电荷传输过程(R1，小半圆)，低频部分TiO2/量子点/电解液界面及TiO2薄膜内的电荷传输过程(R2，大半圆)，图中左上角为等效电路模型。通过比较可知，OA-POSS修饰的CdTe量子点敏化太阳能电池电阻值较大，所以电池内部具有较少的电荷复合，同时电解液分子可以容易地通过Si-O笼状结构到达TiO2表面，增加量子点稳定性的同时，实现了TiO2光阳极与CdTe量子点间的界面改性，提高了量子点敏化太阳能电池的光电流和光电转换效率。
实施例2
(1)CdTe量子点的制备：采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点；将NAC溶解于水中，室温下搅拌至混合均匀；然后加入CdCl2溶液，得到含Cd2+的前驱体溶液；剧烈搅拌后加入过量KBH4，然后加入Na2TeO3水溶液，室温下搅拌至透明均一的溶液；然后调整溶液的pH值为10；再在100℃的条件下加热，制备得到不同粒径的CdTe量子点，其中摩尔比NAC/Cd2+/Te2-＝1.2:1:0.2；提纯后， 得到CdTe量子点粉末；
(2)POSS修饰CdTe量子点：利用OA-POSS修饰CdTe量子点；将步骤1)得到CdTe量子点粉末溶于水配置成CdTe量子点溶液，将偶联剂EDC加入到CdTe量子点溶液中搅拌40min，其中摩尔比CdTe：EDC＝1:200；然后加入OA-POSS溶液后室温搅拌4h，使OA-POSS在CdTe量子点表面进行充分修饰，其中CdTe与OA-POSS的摩尔比为1:50；提纯后，得到OA-POSS修饰CdTe量子点粉末；
(3)量子点敏化太阳能电池的组装：将步骤2)得到的OA-POSS修饰CdTe量子点粉末溶于水配置成OA-POSS修饰CdTe量子点溶液并调整pH值至10，加入TGA作为分子连接剂，TGA与OA-POSS修饰CdTe量子点溶液的体积比为1:100；将二氧化钛光阳极浸泡在OA-POSS修饰CdTe量子点溶液中24小时，TGA将OA-POSS修饰CdTe量子点连接在二氧化钛光阳极表面；然后与对电极CuS组装成三明治结构，并二氧化钛光阳极与对电极CuS之间注入硫离子电解液，形成OA-POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池。
实施例3
(1)CdTe量子点的制备：采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点；将NAC溶解于水中，室温下搅拌至混合均匀；然后加入CdCl2溶液，得到含Cd2+的前驱体溶液；剧烈搅拌后加入过量KBH4，然后加入Na2TeO3水溶液，室温下搅拌至透明均一的溶液；然后调整溶液的pH值为9；再在100℃的条件下加热，制备得到不同粒径的CdTe量子点，其中摩尔比NAC/Cd2+/Te2-＝1.2:1:0.2；提纯后，得到CdTe量子点粉末；
(2)POSS修饰CdTe量子点：利用OA-POSS修饰CdTe量子点；将步骤1)得到CdTe量子点粉末溶于水配置成CdTe量子点溶液，将偶联剂EDC加入到CdTe量子点溶液中搅拌50min，其中摩尔比CdTe：EDC＝1:700；然后加入OA-POSS溶液后室温搅拌4h，使OA-POSS在CdTe量子点表面进行充分修饰，其中CdTe与OA-POSS的摩尔比为1:100；提纯后，得到OA-POSS修饰CdTe量子点粉末；
(3)量子点敏化太阳能电池的组装：将步骤2)得到的OA-POSS修饰CdTe量子点粉末溶于水配置成OA-POSS修饰CdTe量子点溶液并调整pH值至10；然后加入TGA作为分子连接剂，TGA与OA-POSS修饰CdTe量子点溶液的体积比为1:500；将二氧化钛光阳极浸泡在OA-POSS修饰CdTe量子点溶液中30小时，TGA将OA-POSS修饰CdTe量子点连接在二氧化钛光阳极表面；然后与对电极CuS组装成三明治结构，并二氧化钛光阳极与对电极CuS之间注入硫离子电解液，形成OA-POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (3)
1.一种POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）CdTe量子点的制备：采用水相法冷凝回流制备CdTe量子点粉末；
（2）POSS修饰CdTe量子点：将步骤1）得到CdTe量子点粉末配置成CdTe量子点溶液，将偶联剂EDC加入到CdTe量子点溶液中搅拌30-60min，其中摩尔比CdTe：EDC=1:50-1000；然后加入OA-POSS溶液后室温搅拌4-6h，其中CdTe与OA-POSS的摩尔比为1:10-1000；提纯后，得到OA-POSS修饰CdTe量子点粉末；
（3） 量子点敏化太阳能电池的组装：将步骤2）得到的OA-POSS修饰CdTe量子点粉末配置成OA-POSS修饰CdTe量子点溶液并调整pH值至9-11；然后加入TGA，TGA与OA-POSS修饰CdTe量子点溶液的体积比为1:100-500；将二氧化钛光阳极浸泡在OA-POSS修饰CdTe量子点溶液中12-36小时；然后与对电极CuS组装成三明治结构，并二氧化钛光阳极与对电极CuS之间注入硫离子电解液，形成OA-POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池。
2.根据权利要求1所述的POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于步骤1）中所述水相法冷凝回流制备CdTe量子点粉末的具体方法是：将NAC溶解于水中，室温下搅拌至混合均匀；然后加入CdCl2溶液，得到含Cd2+的前驱体溶液；搅拌后加入过量KBH4，然后加入Na2TeO3水溶液，室温下搅拌至透明均一的溶液；然后调整溶液的pH值为9-11.5；再在90-100℃的条件下加热，制备得到不同粒径的CdTe量子点，其中摩尔比NAC/Cd2+/Te2-=1.2:1:0.2；提纯后，得到CdTe量子点粉末。
3.根据权利要求1或2所述的POSS修饰CdTe量子点敏化太阳能电池的制备方法，其特征在于所述提纯方法是：将CdTe量子点由乙醇沉淀后，在离心机内进行离心提纯，然后放在干燥箱内40℃-80℃干燥1-48h。
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