[发明专利]一种水溶性过渡金属元素掺杂硫化铅量子点敏化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于太阳能电池中掺杂量子点敏化剂制备方法。

背景技术

无机窄带半导体量子点由于较高光学吸收系数、带隙“尺寸，组分及结构”依赖性、撞击离化效应等优点，被视作一种非常有潜力大幅度提高太阳能电池效率的敏化剂。目前，以硫族金属化合物量子点作为敏化剂的太阳能电池的光电装换效率已达到~7.03%（J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 9203-9210）。然而多数量子点敏化剂在“量子限域效应”的影响下，光学带隙均大于1.50 eV，如CdSe、CdS、CuInS₂等，这使得以此类材料为敏化剂的太阳能电池无法充分利用太阳光入射光子，导致太阳电池短路电流密度不高（一般小于20 mA/cm²）。在众多的窄带半导体材料中，PbS体材料的光学带隙为仅为0.37 eV，超高的光学吸收系数（＞10⁵ cm^-1）使得以其作为敏化剂可将太阳能电池的光谱响应范围拓宽至近红外波段。最近，Park研究小组以Hg掺杂的PbS量子点为敏化剂将电池的短路电流密度提升至史无前例30 mA/cm²（Sci. Rep. 2013: 1050）。上述量子点制备方法多为化学浴或连续离子层吸附反应法，该类方法制备出的量子点尺寸分布及附载不均匀，结晶性不佳，电池的光电转换效率无法进一步提升。利用快速热注入制备的油溶性量子点虽克服前者工艺带来的缺点，但后期涉及到水溶性配体交换工艺，这无疑增加工艺的复杂性，交换过程中还会造成量子点的团聚损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种批量、便捷制备水溶性过渡金属元素掺杂的PbS量子点敏化剂的方法。

为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：一种水溶性过渡金属元素掺杂硫化铅量子点敏化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：将水溶性的Pb盐与水溶性的过渡金属盐一种或几种按摩尔比溶于去离子水中，搅拌均匀形成透明溶液；

步骤二：向第一步形成的透明溶液中加入一定量的具有羧基和硫醇基官能团的水溶性有机配体；

步骤三：利用碱性溶液调整溶液的pH值至澄清透明；

步骤四：在保护气氛下，对透明溶液进行磁力搅拌并利用微波加热；

步骤五：用注射泵注入水溶性硫源；

步骤六：利用乙醇作为不良溶剂，离心清洗量子点，经真空干燥后获得掺杂量子点粉末。

所述的步骤一中水溶性Pb盐的种类为硫酸铅、氯化铅、硝酸铅及醋酸铅；水溶性过渡金属盐为任何可以溶解于去离子水中的Hg、Cu、Zn、Mn、Co、Ni、Fe盐。

所述的步骤一中Pb离子与过渡金属离子的摩尔比为4~9:1。

所述的步骤二中有机配体为巯基乙酸、巯基丙酸、硫代苹果酸、2-巯基烟酸、4-巯基苯甲酸、11-巯基十一烷酸中的一种。

所述的步骤三中的碱性水溶液为氢氧化钠、氢氧化钾、氨水的稀释溶液；所述碱性水溶液的摩尔浓度为1~3 mol/L。

所述的步骤三中的溶液的pH值为8.0~10.0。

所述的步骤四中的保护气体为N₂或Ar气体；微波加热的温度范围为45~60℃。

所述的步骤四中磁力搅拌的速度为300~400 rpm；

所述的步骤五中的水溶性硫源为硫化钠、硫脲或硫代乙酰胺；加入硫源后，反应时间维持1~5 min。

所述的步骤六中真空度小于-0.1 Mpa，干燥温度为50~60℃，干燥时间为6小时。

本发明的有益效果为：

A、制备掺杂量子点敏化剂所用化学试剂在常温常压下化学性质稳定，无须按照无水厌氧标准操作处理；

B、本发明可以通过过渡金属元素掺杂量、溶液pH值、微波加热处理的时间及功率大小来调节量子点敏化剂的光谱响应性能、尺寸大小及其均匀性；

C、整个制备工序简单，大大降低生产成本，且工艺可重复性较好，可为规模化生产奠定良好的基础。

附图说明

附图1为实施例1量子点敏化太阳能电池，在AM1.5 G模拟太阳光照射下的J-V及IPCE图谱。

具体实施方式

实施例1：