一种可控制备量子点敏化宽禁带半导体电极的电化学方法技术

本发明专利技术公开了一种用于太阳能电池的量子点敏化宽禁带半导体电极的制备方法，该方法包括以下步骤：首先在FTO导电玻璃上制备宽禁带半导体电极(如TiO2、ZnO、SnO2等)；然后以此电极为阴极，以惰性电极为阳极，将阴极和阳极置于配置好的电解液中，并向阴极施加一个恒电流，通过氧化还原反应析出量子点吸附在宽禁带半导体电极表面；最后通过逐层离子吸附与反应法(SILAR)在制备好的量子点敏化电极上包覆一层ZnS钝化层。本发明专利技术的优点在于操作简单，制备时间短，可控性强；通过对电化学参数的优化可以实现量子点在半导体电极表面的均匀生长；同时ZnS钝化层的存在抑制了光生电子的复合，有效提高了电池性能。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于太阳能利用和纳米材料领域，具体涉及一种可控制备量子点敏化宽禁带半导体电极的电化学方法。
技术介绍
量子点敏化太阳能电池(简写成QDSSC)是上世纪90年代出现的一种第三代太阳能电池，其结构与传统的染料敏化太阳能电池(简写成DSSC)类似，主要由大比表面积的宽禁带半导体电极、量子点光敏剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成，只是用窄禁带的无机半导体量子点(QD)取代了染料作为吸收太阳光的光敏剂。与染料相比，半导体量子点因具有较高的摩尔消光系数(W. W. Yu等，Chem. Mater.，2003, 15，第2854-2860页)和可调控的能带结构(E. H. Sargent, Adv. Mater. , 2008, 20,第3958-3964页)而被认为是一种理想的可用于敏化太阳电池的吸光材料；此外，QDSSC能通过量子点特有的碰撞 电离效应得到高于100%的量子产率(J. B. Sambur等，Science, 2010，330，第63-66页)，如果能够将这些光生电子成功利用，QDSSC的理论光电转化效率可以达到44% ;通过对量子点粒径的控制，或是混用不同吸光范围的量子点材料，可以实现对太阳光的全光谱吸收(P. V. Kamat, J. Phys. Chem. C, 2008, 112，第 18737 - 18753 页)，因此 QDSSC 具有非常可观的研究和应用前景。但由于对量子点敏化电极的制备方法、对电极的选择、电池结构体系优化等方面的研究尚未成熟，且电池体系中的载流子的传输和复合过程较为复杂，目前文献中报道的QDSSC最高效率仅为4-5%。量子点敏化电极的制备方法可以大概分为原位生长法和异位吸附法，原位法就是把宽禁带半导体电极放入量子点前驱液中，在半导体表面直接生长量子点。原位法主要分为连续离子层吸附反应法(SILAR)和化学浴沉积法(CBD)，这种方法存在着量子点在宽禁带半导体电极表面分布不均匀，制备时间长、过程繁琐等缺点。异位吸附法是把宽禁带半导体基底放入合成好的量子点溶液中，通过一个带有双官能团的linker分子将量子点吸附到半导体基底表面。这种方法存在着量子点在半导体电极表面覆盖率过低的缺点，同时量子点的表面配体阻碍了光生电子在量子点/半导体电极之间的传输，异位法制备的QDSSC效率通常都低于2%。因此研究新的量子点敏化电极的制备方法，提高量子点的覆盖率和电子传输效率是提高QDSSC性能的一个有效途径。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述量子点敏化电极制备方法的缺陷，提出了一种操作简单，制备时间短，可控性强的可控制备量子点敏化宽禁带半导体电极的电化学方法。即通过对电化学参数的优化可以实现量子点在半导体电极表面的均匀生长；同时ZnS钝化层的存在抑制了光生电子的复合，有效提高了电池性能。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是I)多孔纳米晶电极的制备将TiO2、SnO2或ZnO浆料通过丝网印刷法涂覆在清洗干净的FTO导电玻璃表面，然后放入马弗炉中于500°C下烧结30min，在FTO导电玻璃表面形成厚度为8 12 μ m的多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶电极；2)电沉积溶液的配制前躯液的制备将2mmoI的Se粉或Te粉、8mmoI的Na2SO3和50ml去离子水搅拌均勻后在70-100°C的下加热回流形成无色透明的溶液,冷却至室温形成O. 04mol/L的Na2SeSO3 或 Na2TeSO3 溶液；镉前驱液的制备将O. 8mmol的Cd(CH3COO)2和I. 6mmol乙二胺四乙酸二钠溶于20ml的去离子水中，搅拌均匀后形成O. 04mol/L的的镉前驱液；电沉积溶液的制备取20ml的Na2SeSO3或Na2TeSO3溶液加入到镉前驱液中，均匀搅拌IOmin后，用lmol/L的NaOH水溶液调节pH值为7. 5-8即形成CdSe或CdTe电沉积溶液；·3 )电化学法沉积CdSe或CdTe量子点在室温下，采用两电极体系进行恒电流法电化学沉积CdSe或CdTe，以涂覆有多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶的FTO为工作电极，惰性电极为对电极，两电极间的距离为O. 5-2cm，将电极置于电沉积溶液中向工作电极施加恒电流，电沉积液中的带电粒子在电场的作用下迁移到多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶表面，通过氧化还原反应形成CdSe或CdTe量子点吸附在Ti02、SnO2或ZnO上，待反应结束后将电极取出，用去离子水冲洗干净，放在N2下吹干得到量子点敏化宽禁带半导体电极。还包括在制备的量子点敏化宽禁带半导体电极上沉积ZnS钝化层，其步骤如下将步骤3)制备的备的量子点敏化宽禁带半导体电极先浸入O. lmol/L的Zn(NO3)2水溶液中lmin，取出后用去离子水冲洗去除吸附不牢的Zn2+，然后再将其置于O. lmol/L的Na2S水溶液中lmin，Zn2+与S2_离子发生反应形成ZnS，取出后用去离子水冲洗，以上过程为一次SILAR循环，经过3次SILAR循环之后，在量子点敏化宽禁带半导体电极表面形成一层ZnS钝化层，最后用去离子水冲洗掉未反应的Zn2+和S2-离子，放在N2下吹干即可。所述的惰性电极采用本身不参与反应的石墨电极、金电极或钼电极。所述的恒电流的电流密度为O. 2-0. 6mA/cm2,沉积时间为5_30min。该方法分别以宽禁带半导体电极和惰性电极作为工作电极和对电极，然后向工作电极施加一个恒电流，电沉积液中的带电粒子在电场的作用下迁移到宽禁带半导体电极上，在电极表面发生氧化还原反应，析出量子点吸附在电极表面。可以通过对恒电流的大小以及电解液中离子浓度的优化来控制量子点在电极表面的沉积过程，从而提高量子点的覆盖率和均匀性。本专利技术的有益成果在于与现有技术相比，一种可控制备量子点敏化宽禁带半导体电极的电化学方法，具有以下优点(I)电沉积工艺流程简单、成本低廉、制备时间短、效率高。(2)在电沉积量子点的过程中，量子点先是以离子的形式迁移到宽禁带半导体表面，然后再通过化学反应形成量子点吸附到电极表面，这样就有利于量子点渗入到多孔TiO2电极内部，提高量子点对半导体电极的覆盖率和分布的均匀性。(3)通过控制电解液的组成、温度、沉积电流和沉积时间，可以实现对量子点的尺寸、分布和敏化电极形貌的控制。附图说明图I是本专利技术实施例I制备得到的CdSe量子点敏化多孔TiO2纳米晶电极的表面FESEM 图；图2是本专利技术实施例2制备得 到的CdSe量子点敏化多孔TiO2纳米晶电极的表面FESEM 图；图3是本专利技术实施例3制备得到的CdSe量子点敏化多孔TiO2纳米晶电极的表面FESEM 图；图4是由本专利技术实施例1-4制备的CdSe量子点敏化多孔TiO2纳米晶电极组装的太阳能电池的J-V曲线。具体实施例方式下面参照具体实例对本专利技术进行详细说明，但本专利技术的内容不限于此。实施例I :I)多孔纳米晶电极的制备将Dyesoll8NR_TTi02 (澳大利亚Dyesol公司生产)浆料通过丝网印刷法涂覆在清洗干净的FTO导电玻璃表面，然后放入马弗炉中于500°C下烧结30min，在FTO导电玻璃表面形成厚度为10 μ m的多孔TiO2纳米晶电极；2)电沉积溶液的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控制备量子点敏化宽禁带半导体电极的电化学方法，其特征在于包括以下步骤：1）多孔纳米晶电极的制备：将TiO2、SnO2或ZnO浆料通过丝网印刷法涂覆在清洗干净的FTO导电玻璃表面，然后放入马弗炉中于500℃下烧结30min，在FTO导电玻璃表面形成厚度为8～12μm的多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶电极；2)电沉积溶液的配制：前躯液的制备：将2mmol的Se粉或Te粉、8mmol的Na2SO3和50ml去离子水搅拌均匀后在70？100℃的下加热回流形成无色透明的溶液，冷却至室温形成0.04mol/L的Na2SeSO3或Na2TeSO3溶液；镉前驱液的制备：将0.8mmol的Cd(CH3COO)2和1.6mmol乙二胺四乙酸二钠溶于20ml的去离子水中，搅拌均匀后形成0.04mol/L的的镉前驱液；电沉积溶液的制备：取20ml的Na2SeSO3或Na2TeSO3溶液加入到镉前驱液中，均匀搅拌10min后，用1mol/L的NaOH水溶液调节pH值为7.5？8即形成CdSe或CdTe电沉积溶液；3）电化学法沉积CdSe或CdTe量子点：在室温下，采用两电极体系进行恒电流法电化学沉积CdSe或CdTe，以涂覆有多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶的FTO为工作电极，惰性电极为对电极，两电极间的距离为0.5？2cm，将电极置于电沉积溶液中向工作电极施加恒电流，电沉积液中的带电粒子在电场的作用下迁移到多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶表面，通过氧化还原反应形成CdSe或CdTe量子点吸附在TiO2、SnO2或ZnO上，待反应结束后将电极取出，用去离子水冲洗干净，放在 N2下吹干得到量子点敏化宽禁带半导体电极。...

【技术特征摘要】
1.一种可控制备量子点敏化宽禁带半导体电极的电化学方法，其特征在于包括以下步骤 O多孔纳米晶电极的制备 将Ti02、Sn02或ZnO浆料通过丝网印刷法涂覆在清洗干净的FTO导电玻璃表面，然后放入马弗炉中于500°C下烧结30min，在FTO导电玻璃表面形成厚度为8 12μπι的多孔Ti02、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶电极； 2)电沉积溶液的配制 前躯液的制备将2mmol的Se粉或Te粉、8mmol的Na2SO3和50ml去离子水搅拌均匀后在70-100°C的下加热回流形成无色透明的溶液,冷却至室温形成O. 04mol/L的Na2SeSO3或Na2TeSO3溶液； 镉前驱液的制备将O. 8mmol的Cd(CH3COO)2和I. 6mmol乙二胺四乙酸二钠溶于20ml的去离子水中，搅拌均匀后形成O. 04mol/L的的镉前驱液； 电沉积溶液的制备取20ml的Na2SeSO3或Na2TeSO3溶液加入到镉前驱液中，均匀搅拌IOmin后，用lmol/L的NaOH水溶液调节pH值为7. 5-8即形成CdSe或CdTe电沉积溶液； 3)电化学法沉积CdSe或CdTe量子点 在室温下，采用两电极体系进行恒电流法电化学沉积CdSe或CdTe，以涂覆有多孔TiO2、多孔SnO2或多孔ZnO纳米晶的FTO为工作电极，惰性电极为对电极，两电极间的距离为O. 5-2cm，将电极置于电沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪敏强，宋孝辉，邓建平，姚熹，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：