[发明专利]一种宽光谱吸收的量子点敏化的宽带半导体光阳极

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及基于量子点敏化半导体光阳极的太阳能光电化学池研究领域。

技术背景

染料敏化纳米晶太阳电池(DSSCs)，具有成本低廉和工艺简单的特点，自其发明以来受到各国研究者的广泛关注，至今为止其光电转换效率已达到12％。为了进一步降低太阳电池成本，提高电池性能，众多研究者致力于开发低成本高效率的有机和无机染料，其中无机半导体量子点(QDs)成为研究热点。QDs的尺寸效应，使人们可通过对其晶粒尺寸的控制，来调节太阳电池的光谱响应范围；QDs的高消光系数，则允许人们利用较薄的膜层实现相同的光吸收；QDs的多倍载流子效应，可望实现超过100％的量子效率。然而，与传统的染料敏化太阳电池相比，量子点敏化太阳电池(QDSSCs)的光电转化效率仍然很低。其中主要原因之一是目前所报道的量子点敏化半导体光阳极的光吸收范围较窄，光吸收效率较低。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种宽光谱吸收的量子点敏化的宽带半导体光阳极。

本发明的另一个目的是提供制备上述宽带半导体光阳极的方法。

本发明宽带半导体光阳极，由导电基片、多孔的宽带半导体膜层和可实现宽光谱(从350nm-1200nm)吸收的窄带半导体量子点组成，其特征在于在导电基片表面沉积有多孔的宽带半导体膜以构成宽带半导体膜电极，在宽带半导体膜电极表面包覆有多种窄带半导体量子点，半导体量子点自宽带半导体表面起由里至外依次叠加(如图1所示)，量子点导带位置比宽带半导体高且由里至外依次升高，量子点的禁带宽度在0.9eV～2.6eV之间且由里至外依次减小，且至少有一种量子点的禁带宽度在1.2eV以下。优选的是量子点装配体由2-4种半导体量子点自宽带半导体表面起由里至外依次叠加而成。因为如果采用的量子点种类过多，可能堵塞光阳极孔道结构，造成量子点/电解质界面大大减小，从而降低太阳电池光电转换效率。其中优选的是最外层量子点的禁带宽度在0.9eV～1.2eV之间，以增强对近红外波段的吸收，且保证太阳电池具有较高的开路电压(如大于0.5V)；最内层量子点的禁带宽度在1.8eV～2.6eV之间，以增强对蓝光的吸收。在这种情况下，不仅可实现宽光谱(从350nm-1200nm)的强吸收，而且可有效实现电子-空穴的分离和光电子向宽带半导体的转移和注入，提高太阳电池光电转换效率。

所述可实现宽光谱吸收的窄带半导体量子点可以是II-VI族或III-V族半导体材料，优选的是金属硫化物或者金属硒化物，它们的毒性较小，而且在多硫电解质的化学稳定性较高。其中优选的是CdS、HgS、SnS₂、Sb₂S₃、CdSe、CuInS₂、CuInSe₂、PbSe、PbS、FeS、Fe₃S₄中的一种或多种，其能带结构复合上述的能量匹配关系且容易制备获得。

所述导电基片可以是透明导电玻璃基片，或者金属基片，如Ti片、Zn片或者Sn片等。

所述宽带半导体选自TiO₂、ZnO和SnO₂的一种或多种，多孔的宽带半导体膜层由宽带半导体纳米颗粒组成，可采用现有技术的方法，如刮涂法、丝网印刷、喷涂法、溶胶-凝胶法等方法进行制备，经过高温热处理可得到多孔的宽带半导体膜电极。

本发明制备上述宽带半导体光阳极的方法，其特征在于采用液相化学沉积法在多孔的宽带半导体膜表面沉积多种窄带半导体量子点，具体包括如下步骤：

(1)先将多孔的宽带半导体膜电极在窄带半导体金属阳离子溶液中浸渍20-240秒，金属阳离子溶液的浓度在5mmol/L至200mmol/L之间；

(2)用溶剂洗涤多孔的宽带半导体膜电极，除去表面多余的金属阳离子，吹干；

(3)将吸附了金属阳离子的纳米TiO₂光阳极在窄带半导体阴离子溶液中浸渍20-240秒，阴离子溶液的浓度在5mmol/L至200mmol/L之间；

(4)用溶剂洗涤多孔的宽带半导体膜电极，除去表面多余的阴离子，并吹干；

(5)重复步骤(1)至(4)2-35次，可在多孔的宽带半导体膜电极表面沉积第一种窄带半导体量子点。