[发明专利]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

说明书

技术领域：

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用的技术方案是：

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：