[发明专利]一种杂原子掺杂的碳量子点在太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种杂原子掺杂的碳量子点的制备及其应用技术领域，具体来讲，涉及一种杂原子掺杂的碳量子点在太阳能电池中应用。

背景技术

环境和能源问题无疑是当前全球面临的两大问题，引起了科学界广泛而深刻的关注。太阳能是未来最有希望的能源之一，是一种取之不尽、用之不竭的无污染洁净能源。将太阳能直接转换为电能和热能造福于人类一直是科学家的追求目标。因而自从1954年第一块单晶硅太阳能电池问世以来，人们就对利用半导体太阳能电池解决将来由于矿物燃料枯竭而引起的能源危机寄予了很大希望。目前，各种类型的太阳能电池已经广泛地应用在民用以及军工项目中。然而，由于现有的太阳能电池制造工艺上存在原料成本高、工艺复杂或者转换效率低等问题，限制了太阳能电池更好的应用，使得这个领域的研究具有很大的潜在价值。

目前，硅基太阳能电池已经实现产业化以外，太阳能电池还主要分为无机太阳能电池、染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池三大类。硅太阳能电池存在诸如光电转换理论效率相对较低和成本较高的问题。GaAs、CdTe、Cu(In,Ga)Se2等无机太阳能电池虽然降低了生产成本和材料成本，但是In,Ga等材料储量稀少以及Cd离子等重金属原子的自身毒性限制了此类太阳能在民用领域的应用。有机聚合物薄膜太阳能电池以聚合物代替无机材料是太阳能电池研究的一个新的方向。有机太阳能电池由于其材料来源广泛、制作容易、成本低、柔性好等优势，对太阳能电池的推广具有重要意义。但有机太阳能电池的研究才刚刚开始，电池的效率和稳定性都太低，无法和其他太阳能电池相比，要发展实用化，还需要进一步的研究。染料敏化太阳能电池(DSSC)，是近年来新开发的一种低成本且高光电转换效率的太阳能电池。相对于结晶硅太阳能电池，染料敏化太阳能电池的最大竞争优势在于制备简单、原料便宜、污染性低、不需要大型无尘设备。但是，染料容易发生光解，敏化剂吸收光谱的范围比较窄等问题限制了染料敏化太阳能电池的发展。因此，寻找一种新型的光敏化材料代替染料，已经成为近来太阳能电池的一个研究热点。量子点材料同传统染料相比，具有价格低廉、吸收范围宽广和光稳定性好等诸多优点，使其很有希望在染料敏化太阳能电池中代替染料作光敏剂。

碳量子点是碳纳米材料家族中的新成员,具有吸收光谱宽、抗光漂白性能好、无毒性、易于功能化、能够高产率制备等特性，有望在光电子器件等技术领域显示其广阔的应用前景[Angew.Chem.Int.Ed,2010,49,6726-6244;Chem.Comm.2012,48.3686-3705；]。目前的研究表明，碳量子点在太阳能电池中的应用研究还刚刚开始，比如北京科技大学研究组将发绿色荧光的碳量子点用作新的电子受体材料构筑了有机太阳能电池，其光电转化效率为1.28%[Adv.Mater.2011,23，776–780]；加拿大多伦多大学的研究人员将碳量子点用作光敏剂构建量子点敏化的太阳能电池，其光电转化效率仅为0.13%；美国印第安娜大学的研究人员也作了类似的工作，但是其光电转化效率远远达不到实际应用的需要[Nano Lett.2010,10,1869–1873]。因此，尚需开展大量的研究工作以促进基于碳量子点的高性能太阳能电池的研制。杂原子掺杂的碳量子点可以有效地调节量子点的特性包括电子性能和表面化学性质[Energy Environ.Sci.,2012,5,8869–8890]。因此，探索开发基于杂原子掺杂的碳量子点的太阳能电池等光电器件有望突破碳量子点太阳能电池光电转换效率低的瓶颈，对解决能源危机具有及其重要的意义。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种杂原子掺杂的碳量子点作为新型电子受体/给体材料在构建有机聚合物太阳能电池中的应用。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种杂原子掺杂的碳量子点作为新型光敏剂在构建量子点敏化太阳能电池中的应用。

本发明所述一种杂原子掺杂的碳量子点，其制备方法包括如下步骤：

1)向共轭聚合物中加入0.01～1000倍共轭聚合物质量、0～1M的酸或碱的水溶液，混合均匀，得到反应液；

2)将反应液加热到100℃～500℃，反应1～48小时；

3)反应完后自然冷却，收集反应液，分离提纯，得到杂原子掺杂的碳量子点。

优选地，所述共轭聚合物选自具有以下结构式的共轭聚合物中的一种或多种：

式中：