[发明专利]一种Co掺杂CdSe量子点敏化TiO2纳米棒光电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于量子点敏化纳米棒阵列太阳能电池技术领域，特别是一种在水热法制备的TiO₂纳米棒阵列上，利用电化学沉积包裹Co掺杂的CdSe半导体量子点光敏化剂的方法和对其结构与性能进行控制的工艺。

背景技术

量子点敏化太阳能电池被认为是下一代最有前途的太阳能电池。这主要是因为它有以下几个优点（1）可以通过合成方法工艺的改变来控制量子点的大小，进而调节量子点的带隙（2）高的消光系数（3）在高能量激发下能产生多重电子载流子。量子点敏化太阳能电池的设计与染料敏化太阳能相似，包括在宽禁带宽度的半导体TiO₂上沉积窄禁带宽度的纳米晶半导体例如CdSe、CdS、CdTe。其中CdSe因其在可见光范围内有良好的吸收，而被广泛研究。当光照射在量子点敏化的电极上时，光生激子在量子点与TiO₂界面处发生分离，分离后产生的电子注入到TiO₂中。虽然量子点太阳能电池的光电流跟染料敏化太阳能电池差不多，但因为其开路电压和填充因子较低，使量子点太阳能电池的效率还处于一个比较低的水平。

为了提高电池效率，人们做了很多工作，比如说用双层电极，用红外的染料敏化金属硫化物，或者利用掺杂改变半导体纳米晶的本征性质。研究发现通过对量子点进行光学活性较强的过渡金属元素的掺杂，可以改变量子点的电学以及光物理性质[(1) Pradhan, N.; Sarma, D. D. J. Phys. Chem. Lett. 2, 2818 (2011) (2) Chikan, V. J. Phys. Chem. Lett. 2, 2783 (2011).]。这主要是因为掺入的杂质在量子点的能级中产生一个中间态，从而提高激子的分离效率，减小电子和空穴的复合。S. Arora等人研究发现利用Mn²⁺和Fe²⁺对 CdS纳米颗粒进行掺杂可以使量子点的吸收边红移，在可见光范围内吸收增强[(3)S. Arora and S. Sundar Manoharan, Solid State Commun.144, 319 (2007). (4) N. Badera, B. Godbole, S.B. Srivastava, P.N. Vishwakarma, and L.S. Sharath Chandra, et al. Appl. Surf. Sci. 254, 7042 (2008)]。Prashant V. Kamat 等人通过Mn²⁺对CdS的掺杂使Mn²⁺-doped CdS/CdSe/TiO2电池效率提高到5.4%，[(5) Pralay K. Santra and Prashant V. Kamat. J. Am. Chem. Soc. 134, 2508 (2012) ]这是迄今为止关于量子点太阳能电池报道的最高效率。Zielinsk等人[(6) M. Zielinski, C. Rigaux, A. Lemaitrie, and A. Mycielskin, Phys. Rev. B 53, 674 (1996).]和Seong[(7) M.J. Seong, H. Alawadhi, I. Miotkowski, and A.K. Ramdas, Phys. Rev. B 63, 125208 (2001)]等人报道说Co²⁺掺杂II-VI半导体引起的sp-d交换相互作用要比Mn²⁺掺杂的要强，因此我们预测Co²⁺掺杂相对于Mn²⁺掺杂效果可能会更好，而到目前为止还没有关于Co掺杂CdSe的报告。

发明内容

本发明的目的是提供一种在TiO₂纳米棒阵列上沉积Co掺杂CdSe量子点的光电极及其制备方法，旨在通过对CdSe量子点的Co掺杂提高光电器件的光电转化效率。

本发明TiO₂纳米棒阵列的光电极结构从下到上依次顺序是：FTO导电玻璃衬底、TiO₂ 纳米棒阵列、Co掺杂的CdSe量子点，其中TiO₂纳米棒阵列的长度为1-5 μm，直径为50-150 nm；CdSe壳层的厚度为17-50 nm；Co对CdSe的掺杂浓度为1%-4%；该Co掺杂CdSe量子点敏化TiO₂纳米棒阵列的光电极的饱和光电流密度能达到10.8-13.4 mA/cm²

本发明的制备工艺具体如下：