[发明专利]共敏化量子点太阳能电池光阳极的制备

说明书

本发明公开了一种用于量子点敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，该光阳极通过预合成在不同波段吸光强度具有互补效应的CdSe和Zn‑Cu‑In‑Se量子点敏化剂，并采用不同双功能配体分别对其表面进行修饰。利用表面配体诱导自组装策略，将修饰后的量子点顺序沉积在介孔TiO₂光阳极膜内，制备多组分量子点共敏化光阳极，并组装QDSC。利用量子点组分单元间的互补与协同作用，使得量子点带隙与太阳光子能量匹配，在不影响光生电子注入速率前提下拓宽光谱吸收范围，增强了吸光能力；改善了光阳极内部异质界面及与电解液间的液固界面间的电荷传递动力学；建立获得高光电流和光电转换效率的新方法，实现研制的QDSC效率大于12％。

本发明涉及一种量子点敏化太阳能电池的光阳极制备方法，该光阳极通过预合成在不同波段吸光强度具有互补效应的量子点敏化剂，利用表面配体诱导自组装策略制备多组分量子点共敏化光阳极。基于这种方法制备的光阳极所组装量子点敏化太阳能电池获得了高光电流和光电转换效率。

背景技术

量子点敏化太阳能电池(Quantum Dot Sensitized Solar Cell，QDSC)是利用无机半导体纳米材料(又称量子点)作为光捕获剂进行光电转换的光伏器件，其典型构造和工作原理如图1所示。由于量子点制备工艺简单且成本低廉，加之高的吸光系数及敏化构型对材料纯度的低依赖性，使得QDSC较传统晶硅电池具有低成本优势。相对于体相半导体材料而言，采用量子点更容易实现电子给体和受体材料的能级匹配从而达到改善太阳光利用的目的。此外，无机量子点较有机染料及卤化铅钙钛矿吸光材料具有更好的光、热及水稳定性。更为重要的是，量子点具有独特的多激子发生潜能，这使得QDSC的理论效率能够突破肖克利-奎伊瑟(Shockley-Queisser)的上限31％达到44％。因此，QDSC成为最具潜力的第三代太阳能电池之一，近年来引起了广泛的关注。

量子点敏化剂作为敏化电池的最核心组分，它兼具吸收太阳光子产生电子和将光生电子注入到宽带隙半导体材料(通常为TiO₂)的功能。理想的敏化剂应具备窄的能带隙以俘获更宽波长范围的太阳光子及较TiO₂更高的导带能位，以保证光生电子从敏化剂有效注入TiO₂基底。然而，单一量子点敏化剂综合性质的相互牵制限制了QDSC的发展。多种具有合金和核/壳构型复合结构的单一量子点(包括CdS/CdSe、CdTe/CdSe、CdSe_xTe_1-x及CuInS₂和Zn-Cu-In-Se合金结构QD)用于组装电池，其光电转化效率仍较理论效率相差甚远。Zn-Cu-In-Se 合金量子点，虽将吸收范围延伸至1000nm左右的近红外区域，其组装QDSC 所呈现的短路电流值(25～26mA/cm²)却远远低于理论值，主要原因是单一敏化剂难以兼顾窄带隙、高导带能位及高摩尔消光系数等性质，因而在宽的吸光范围、高的电子注入速率及高的吸光强度之间存在顾此失彼的矛盾。因此，进一步提高对太阳光的利用效率是提升光电流是制备具有高光电转换效率QDSC 的根本途径。

实现多组分敏化剂的协同效应即共敏化光阳极的制备有望突破这一局限。通过预合成在不同波段吸光强度具有互补效应的量子点敏化剂，利用表面配体诱导自组装策略制备多组分量子点共敏化光阳极，通过这种方式制备的量子点敏化太阳能电池实现了高电流的高的光电转化效率。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种共敏化光阳极制备方法，第二个目的是将这种共敏化光阳极应用到QDSC中。

附图说明

附图1为典型QDSC构造及运行原理示意图。

附图2为ZCISe/CdSe QDs敏化TiO₂膜截面扫描电镜图(SEM)及各元素分布图。

附图3为ZCISe/CdSe QDs敏化TiO₂膜的宽视野透射电镜图(TEM)。