稀土硒化物量子點太陽能電池的製備及其應用的製作方法

2023-10-23 22:31:47

稀土硒化物量子點太陽能電池的製備及其應用的製作方法
【專利摘要】稀土硒化物量子點太陽能電池的製備及其應用，採用溶劑熱法的特點，結合溶劑熱法中有機相合成和水相合成的特點，成功合成稀土硒化物量子點，通過改變反應物配比、反應溫度、反應時間來調節量子點粒徑，使半導體量子點導帶價帶更易於二氧化鈦導帶價帶匹配形成階梯結構促進電子空穴傳輸，減少電子—空穴對的複合，提高太陽能電池光電轉換效率。本發明的優點是：本稀土硒化物量子點製備技術穩定，有機相合成量子產率高、量子點粒徑更小。水相製備的量子點材料無毒、廉價、操作簡單、環境友好、並有高度的重現性。所製備的太陽能電池易組裝成本低且具有寬的吸收光譜和高的光電轉換效率，具有比較高的開發價值。
【專利說明】稀土砸化物量子點太陽能電池的製備及其應用
【技術領域】
[0001]本發明涉及硒化物量子點太陽能電池的製備，尤其涉及稀土硒化物量子點太陽能電池的製備及其應用。
【背景技術】
[0002]太陽能的開發利用對解決能源危機和發展低碳經濟都具有極其重要的意義。其中，新一代太陽能電池一量子點敏化太陽能電池由於具備高理論轉換效率和低生產成本，引起了科學界的廣泛關注。考慮材料本身缺陷、能級匹配及製備工藝對太陽能電池性能的影響，設計了稀土硒化物量子點作為光電轉換材料，利用硒化物寬吸收光譜，採用溶劑熱和水熱法合成技術，合成了可控粒徑稀土硒化物量子點材料並將其應用於太陽能電池中。量子點相較於體半導體材料易調控能級使得電子給體和受體之間能級匹配，大幅提高太陽能光電轉換效率。稀土硒化物量子點兼顧了量子點所有的優點，同時又將稀土元素豐富的能級賦予量子點之中，使得稀土硒化物量子點作為太陽能電池的吸光材料而具有非常寬的吸收峰，從而進一步提高量子點太陽能電池光電轉換效率。
[0003]本發明分別採用溶劑熱法中有機相和水相合成的方法製備出不同穩定劑修飾的稀土硒化物量子點，並將其應用於太陽能電池中。有機相中製備的量子點具有較高的螢光量子產率，較好的單分散性和穩定性，光學性能優異且粒徑可控。水相製備的量子點無毒、廉價、操作簡單、環境友好、並有高度的重現性。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在於提供稀土硒化物量子點太陽能電池的製備及其應用，稀土硒化物量子點太陽能電池具有高光電轉換效率、低成本和易組裝等特點。
[0005]本發明稀土硒化物量子點太陽電池製備是這樣來實現的，其特徵是方法步驟如下:
方法1:
(I)以稀土氧化物作為稀土前驅體，硒粉製得的三正辛基硒化膦為硒前驅體，油酸作為溶劑，1-十八烯為穩定劑，Ar氛圍下合成油溶性稀土硒化物量子點。丙酮誘使量子點沉澱，離心分離提純得固體粉末。
[0006](2)硒前驅體以一定比例加入稀土溶液前驅體中反應得到稀土硒化物量子點，此時的量子點含有未反應完全的雜質，加入過量的丙酮，量子點不溶於丙酮會沉澱下來，而雜質會溶於丙酮，採用離心方法可將量子點提純；
(3)以多孔半導體TiO2納米材料為光陽極，將提純後的量子點和TiO2組裝成電池；當太陽光照射光陽極時，附著在TiO2上稀土量子點的電子一空穴對發生分離，電子從量子點價帶躍遷至導帶並注入TiO2的導帶中經由FTO導電玻璃連接負載傳遞給鉬金背電極，最後通過空穴傳輸層PES0T:PSS和電子複合形成電子-空穴對完成一個循環。
[0007]方法2: (I)以硒粉制的硒氫化鈉作為硒前驅體，稀土氯化物水溶液作為稀土前驅體，L-半胱氨酸為穩定劑，Ar氛圍下回流反應Ih製得水溶性稀土硒化物量子點。乙醇誘使量子點沉澱，離心分離得純淨量子點。
[0008](2)硒前驅體以一定比例加入稀土溶液前驅體中反應得到稀土硒化物量子點，此時的量子點含有未反應完全的雜質，加入過量的乙醇，量子點不溶於乙醇會沉澱下來，而雜質會溶於乙醇，採用離心方法可將量子點提純；
(3)參考上述方法I中的(3)。
[0009]本發明的優點是:有機相中製備的量子點螢光量子產率高，單分散性和穩定性較好，光學性能優異且粒徑可控。水相製備量子點試劑無毒、廉價、操作簡單、環境友好、並有高度的重現性符合能源發展趨勢，具有比較高的開發價值。
【具體實施方式】
[0010]以下通過實施例作進一步詳細描述，但本實施例並不用於限制本發明，凡是採用本發明的相似結構及其相似變化，均應列入本發明的保護範圍。
[0011]本發明採用溶劑熱法:分別在有機相中和水相合成中合成稀土硒化物量子點，與二氧化鈦組裝成電池。
[0012]本發明稀土硒化物量子點合成具體步驟如下:
方法1:
(I)往250mL三頸燒瓶中加入一定量的稀土氧化物，加入適量油酸和1-十八烯，往250mL恆壓滴液漏鬥中加入三正辛基膦溶解硒粉的硒前驅體，其中硒粉、三正辛基膦、稀土氧化物、油酸、1-十八烯的摩爾比為1:1.3:0.67:4.2:5。同時裝置需搭載球形冷凝管。
[0013](2)使裝置密閉，25°C攪拌同時將裝置抽成真空，然後打開三通閥往裝置中充入高純Ar，反覆三次使得裝置內和溶劑中完全無氧。攪拌半小時形成稀土化合物前驅體。
[0014](3)打開球形冷凝管冷凝水，升高溫度至30(TC，打開恆壓滴液漏鬥使硒前驅體溶液迅速加入稀土化合物前驅體溶液中,攪拌回流反應5min。
[0015]本發明稀土硒化物量子點分離提純步驟如下:
(I)將製得的量子點移入燒杯中，緩慢持續加入丙酮，當看到有沉澱生成時繼續加入丙酮直至沉澱不再生成；將得到含有沉澱的溶液移入50mL離心管中，14000rmp離心IOmin得稀土硒化物量子點粉末。反覆三次即可得純淨油溶性稀土硒化物量子點。
[0016](2)將得到的量子點重新分散在三氯甲烷中供組裝電池使用 方法2:
(I)在手套箱中製備硒氫化鈉溶液作為硒前驅體，並存放於真空卡口瓶中。
[0017](2)往250mL兩頸燒瓶中加入一定量的稀土氯化物水溶液和L-半胱氨酸，再加入20mL三次蒸餾水，其中稀土硒化物、L-半胱氨酸摩爾比為1:0.33。裝置組裝球形冷凝管，且燒瓶一個頸用橡膠翻口塞密封。
[0018](3)使裝置密閉，室溫條件下攪拌同時將裝置抽成真空，然後打開三通閥往裝置中充入高純Ar，反覆三次使得裝置內和溶劑中完全無氧。攪拌半小時形成稀土化合物前驅體。
[0019](4)保持溫度為25°C，用注射器從卡口瓶中吸取一定量的硒前驅體溶液迅速注入稀土前驅體中，其中硒前驅體和稀土氯化物摩爾比為0.9:1。攪拌回流反應lh。[0020]本發明稀土硒化物量子點分離提純步驟如下:
(I)將製得的量子點移入燒杯中，緩慢持續加入乙醇，當看到有沉澱生成時繼續加入乙醇直至沉澱不再生成；將得到含有沉澱的溶液移入50mL離心管中，14000rmp離心IOmin得稀土硒化物量子點粉末。反覆三次即可得純淨水溶性稀土硒化物量子點。
[0021]本發明稀土硒化物量子點太陽能電池組裝步驟如下:
(I)取1.5*2.0cm2的FTO導電玻璃於丙酮、無水乙醇和水摩爾比為2:2:1的溶液中超聲清洗lOmin，隨即用去離子水清洗掉有機溶劑，將洗淨的導電玻璃烘乾。
[0022](2)在導電玻璃導電層旋塗一層多孔TiO2膜，然後將含有TiO2膜的導電玻璃在盛有稀土量子點溶液的稱量瓶中浸泡24h使得量子點充分吸附在TiO2分子上。
[0023](3)往吸附好量子點的的TiO2膜上旋塗一層PEDOT: PSS，用鉬金電極夾在PEDOT: PSS上層組裝成稀土硒化物量子點太陽能電池。
[0024]通過稀土硒化物量子點合成、稀土硒化物量子點分離提純和稀土硒化物量子點太陽能電池組裝三個步驟製備出低成本、半高峰寬大的稀土硒化物量子點，滿足高效太陽能電池製備工藝的要求。
【權利要求】
1.稀土硒化物量子點太陽能電池的製備，其特徵是方法步驟如下: 稀土硒化物量子點有兩種製備方法，分別為溶劑熱法中的有機相合成和水相合成，分別如下: 方法1: (1)以稀土氧化物作為量子點製備稀土前驅體，以硒粉製備的三正辛基硒化膦作為硒前驅體，以1-十八烯為穩定劑，油酸作為溶劑反應製得油溶性稀土硒化物量子點，丙酮促使量子點沉澱，離心分離提純； (2)硒源和稀土源以1.2:1的摩爾比反應製得量子點，此時量子點含有雜質未反應的硒源雜質，加入過量丙酮促使量子點沉澱離心分離得固體粉末，加入三氯甲烷溶解再加過量丙酮沉澱，反覆兩次得到純淨的稀土硒化物量子點粉末； (3)將純淨的稀土硒化物量子點粉末重新分散到三氯甲烷中； (4)以多孔η型半導體TiO2納米材料為光陽極，將提純後的量子點和TiO2組裝成電池；當太陽光照射光陽極時，附著在TiO2上的量子點的電子、空穴對發生分離，電子從價帶躍遷至導帶並注入TiO2的導帶中經由FTO導電玻璃連接負載傳遞給鉬金背電極，最後通過空穴傳輸層PES0T:PSS和電子複合形成電子-空穴對完成一個循環； 方法2: (1)以硒粉製得的硒氫化鈉為硒前驅體，稀土氯化物溶液為稀土前驅體，L-半胱氨酸為穩定劑，加入一定的三次蒸餾水反應，製得水溶性稀土硒化物量子點，加入過量乙醇促使量子點沉澱，離心分離，反覆兩次得純淨的稀土硒化物量子點； (2)將提純後的稀土硒化物量子點重新分散到水中； (3)參考方法I中的(4)。
2.根據權利要求1所述的稀土硒化物量子點的製備及太陽能電池的組裝，其特徵在於可通過如下步驟實現: 方法1: (1)以1:1.3的摩爾比將硒粉溶於三正辛基膦中作為前驅體加入恆壓滴液漏鬥中，以硒粉、稀土氧化物、油酸、1-十八烯的摩爾比為1:0.67:4.2:5，將稀土氧化物、油酸和1-十八烯加入到250mL的三頸燒瓶中，氬氣氛圍下25(T300°C回流反應5min鍾； (2)所製備的稀土硒化物量子點通過過量的丙酮誘使量子點沉澱，14000rpm高速離心分離，分離後的量子點重新分散到三濾甲烷中得到硒土硒化物量子點溶液； (3)以多孔TiO2為η型半導體，將TiO2旋塗到FTO導電玻璃導電層上形成一層薄膜，將其浸泡在所製備的稀土硒化物量子點中，浸泡完後往樣品層上再旋塗一層空穴傳遞層PEDOT:PSS ;選用鉬金電極作為背電極，以模擬太陽光源照射光陽極通過電化學工作站測量太陽能電池光電轉換效率； 方法2: (1)以硒粉、硼氫化鈉、水的摩爾比為1:1.3:10，在手套箱中反應製備硒氫化鈉溶液，並將製得的硒氫化鈉移入真空卡口瓶中，以硒氫化鈉、稀土氯化物、L-半胱氨酸摩爾比為3:3:1加入250mL三頸燒瓶中100°C回流反應Ih製得水溶性稀土硒化物量子點； (2)將已製得的量子點移入500mL燒杯中加入乙醇促使沉澱，離心分離，重複三次得到純淨稀土硒化物量子點固體；(3)參考上 述方法2中的(3)。
【文檔編號】H01L31/18GK103840034SQ201410021436
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年1月17日 優先權日:2014年1月17日
【發明者】李清華, 程園遠, 金肖, 秦元成 申請人:南昌航空大學