[发明专利]一种量子点敏化碳纳米管及制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能电池的量子点敏化碳纳米管光阳极材料制备方法，属于染料敏化太阳能电池领域。

背景技术

量子点敏化太阳能电池的理论光电转化效率可以超出Shockley-Queisser极限，有望取代传统的单晶硅和多晶硅太阳能电池，成为下一代光伏产业的主导产品。前期研究工作显示，使用一维的纳米管材料连通量子点和电极，可有效提高电子的传导速率，降低产生光子和声子的几率，避免能量的消耗，提高光电转化效率。同二氧化钛、氧化锌以及硅纳米管相比，碳纳米管具有更加优异的导电性能，其体积电阻率仅有7.6×10^-4Ω·cm，使用量子点敏化的碳纳米管作为光阳极材料，将进一步提高电池的转化效率。然而，碳纳米管化学惰性和非极性的表面结构，无法稳定吸附足够数量的量子点，也无法在界面处形成稳定的电子传输通道，已成为现阶段科研人员急需解决的重要技术问题。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明介绍一种以硫醇基团官能化聚苯胺为导电介质，并以其化学键连接碳纳米管和量子点的光阳极材料制备方法。

为达到上述目的，本发明所制备的光阳极材料的制备方法，包括以下步骤：通过碳纳米管的混酸氧化处理、对苯二胺的酰胺化、聚苯胺的共价键接枝、硫醇基团的官能化，以及量子点的配位吸附；首先，通过多壁碳纳米管的表面官能团反应，将导电聚合物聚苯胺共价键接枝到碳纳米管表面；之后，通过质子酸掺杂，在聚苯胺分子链中引入硫醇基团；最后，利用硫醇和量子点的配位钝化作用，将量子点吸附于碳纳米管表面，实现量子点和碳纳米管电子云的连通。

一种用于太阳能电池的量子点敏化碳纳米管光阳极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）碳纳米管的混酸氧化处理，得到含有羧基基团的碳纳米管，优选：使用体积比1：10～1：2的浓硫酸/浓硝酸混合物，碳纳米管和混酸的质量比为1：100～1：500，反应温度为140～160℃，反应时间为4～24小时；

（2）步骤（1）所得碳纳米管的对苯二胺的酰胺化，碳纳米管和对苯二胺的酰胺化反应在1，4-二氧六环溶解中进行，混酸氧化碳纳米管和溶剂的质量比为1：100～1：150，混酸氧化碳纳米管和对苯二胺的质量比为1：6～1：15，反应温度为70～90℃，反应时间为2～5小时；

（3）步骤（2）所得碳纳米管的聚苯胺的共价键接枝，步骤（2）酰胺化碳纳米管和苯胺的原位聚合反应，以阳离子自由基聚合历程在冰浴微乳液环境中制备，聚苯胺在酰胺化碳纳米管上的包覆量为5～43wt%；

（4）硫醇基团的官能化，将步骤（3）聚苯胺共价键接枝的碳纳米管和含有硫醇基团的质子酸在四氢呋喃溶液中进行掺杂，聚苯胺共价键接枝碳纳米管和溶剂的质量比为1：100～1：150，并按照碳纳米管表面聚苯胺和质子酸摩尔比为1：2～1：5反应，25～30℃反应3～5小时；

（5）量子点的配位吸附，量子点和步骤（4）硫醇官能化的碳纳米管在四氢呋喃溶液中进行配位吸附，硫醇官能化碳纳米管和溶剂的质量比为1:60～1:100，硫醇官能化碳纳米管和量子点的投料质量比为1：0.05～1：0.5。

上述所述的碳纳米管优选直径为5～50nm，长径比为300～1000的多壁碳纳米管。

质子酸可选用2-巯基苯甲酸、4-巯基苯甲酸或其混合物。

量子点要求量子点的荧光光谱峰值大于600nm，荧光产率大于30%，可选用硒化镉、锑化镉、硫化镉、硫化镉包覆硒化镉、硫化镉包覆氧化锌。

本发明上述量子点敏化碳纳米管光阳极材料作为太阳能电池的光阳极材料，使用时涂布厚度控制在6～20μm。

本发明量子点敏化碳纳米管光阳极材料，在其涂布厚度为12μm的情况下，使太阳能电池的光点转化效率提高至3.76%。

本发明方法有效提高量子点含量，同时在量子点和碳纳米管间形成稳定的P-π共轭分子导电通路，提高了量子点中激发态电子向碳纳米管的传导几率。

特别是所述的聚苯胺共价键接枝碳纳米管，通过酰胺化碳纳米管和苯胺的原位聚合反应，以阳离子自由基聚合历程在冰浴微乳液环境中制备，聚苯胺在碳纳米管上的包覆量为12～35wt%。

特别是所述的硫醇基团官能化碳纳米管，通过聚苯胺共价键接枝的碳纳米管和含有硫醇基团的质子酸在四氢呋喃溶液中进行掺杂制备，聚苯胺共价键接枝碳纳米管和溶剂的质量比为1：115～1：136，并按照碳纳米管表面聚苯胺和质子酸摩尔比为1：2.4～1：4.7反应，25～30℃反应3.5～4.5小时。