[发明专利]一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极及其制备方法和应用。掺铒碳量子点(Er‑CQDs)采用水热法制备。CdS量子点(CdS QDs)通过连续离子层吸附和反应(SILAR)方法沉积在Er‑CQDs/TiO₂薄膜上。Er‑CQDs在光阳极的存在通过X射线能量分析光谱和透射电子显微镜证实。用电化学方法研究Er‑CQDs的引入对硫化镉量子点敏化太阳能电池光电性能的影响，结果显示Er‑CQDs具有拓宽CdS QDs的光吸收范围和电子传输的功能，从而能够提高CdS QDSSCs的光伏性能。本发明的新型光阳极可广泛应用于太阳能电池，尤其是量子点敏化太阳能电池领域，前景广阔。

技术领域

本发明属于量子点敏化太阳能电池领域，尤其是在硫化镉量子点敏化太阳能电池上的应用。

背景技术

随着人类社会的发展，人类对能源的需求不断增大，而在对传统能源的使用时造成了严重的能源危机和环境污染等问题。人类迫切需要寻找一种可持续的清洁能源。因为太阳能是一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，因此，将太阳能转化为其他形式的能源可以解决人类对能源的巨大需求，从而解决环境污染问题。太阳能电池是一种将太阳能转化为电能的器件。在各类太阳能电池中，量子点敏化太阳能电池因其具有独特的优越性而备受关注，被认为将是下一代太阳能电池。

量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)具有独特的电子和光学性能、低成本、简单的制作工艺等优点。此外，量子点敏化太阳能电池的理论能量转换效率能够达到44％，超过了基于热电子提取和多激子产生效益的Shockley–Queisser极限。到目前为止，已经有许多量子点被运用在量子点敏化太阳能电池上，如：CdS、PdS、CdTe等。在这些敏化剂中，CdS具有2.4eV禁带宽度能够吸收太阳光中的大部分可见光、更高的光子电子转化效率、简单的合成过程等优点。这些优点使CdS成为一个优良的吸光材料。此外，CdS的导带位置高于TiO₂，这有利于光生电子从CdS注入到TiO₂上。近些年来，CdS量子点敏化太阳能电池(CdS QDSSCs)的能量转换效率已经有很大的提高。然而，目前基于TiO₂光阳极的CdS量子点敏化太阳能电池的能量转换效率仍然远远低于它的理论能量转换效率。有两个因素导致了这一结果，其一是CdS的吸光能力和范围小，另一因素是电荷分离与收集效率低。

发明内容

为了能够同时解决CdS QDs的吸光能力弱、吸光范围窄以及电荷分离与收集效率低的问题，本发明提供了一种将掺铒碳量子点(Er-CQDs)引入硫化镉量子点敏化太阳能电池光阳极的方式。引入Er-CQDs到光阳极中可以大大提高硫化镉量子点敏化太阳能电池的光伏性能。

本发明采用的技术方案是：一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极，所述的Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极是CdS/Er-CQDs/TiO₂。

一种Er掺杂碳量子点辅助的新型光阳极的制备方法，包括如下步骤：将镀有Er-CQDs/TiO₂薄膜的FTO玻璃依次经在硝酸镉溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min的离子层吸附处理和在Na₂S溶液中沉浸1min、甲醇漂洗、空气中干燥1min的反应处理；离子层吸附处理和反应处理重复6-8次；所述的硝酸镉溶液由硝酸镉、水和甲醇混合制成；所述的Na₂S溶液由Na₂S、水和甲醇混合制成。

所述的镀有Er-CQDs/TiO₂薄膜的FTO玻璃的制备方法包括如下步骤：将镀有TiO₂薄膜的FTO玻璃浸入Er-CQDs的水溶液中，在室温下静置24h，50℃干燥。

所述的Er-CQDs的制备方法包括如下步骤：采用回流法和水热法制备，将三乙四胺六乙酸和氧化铒溶于去离子水中，加热回流至溶液透明，调节溶液pH至5，再将溶液浓缩，最后将浓缩溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，加热至180℃，保持10h，冷却至室温。