[发明专利]一种Ⅱ-型核壳结构量子点及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种Ⅱ‑型核壳结构量子点及其制备方法和在制备量子点敏化光电极中的应用，所述Ⅱ‑型核壳结构量子点包括壳层与核层，组成为CdZnTe@CdS，所述元素Cd与元素Zn的摩尔比为0.15～1.8：1。本发明公开了一种新型的核壳结构量子点，在低厚度的CdS壳层下获得了Ⅱ型核壳结构。以该结构的量子点制备的量子点敏化光电极的光捕获能力得到显著提高，而光生电子的注入效率并未受到影响，以此制备的量子点敏化太阳能电池有望具有更加优异的光电转化效率。

技术领域

本发明涉及敏化太阳能电池的技术领域，具体涉及一种Ⅱ-型量子点及其制备方法和在制备量子点敏化光电极中的应用。

背景技术

量子点敏化太阳能电池是一个研究热点，其基本结构包括半导体光电极、量子点敏化剂、电解质、导电玻璃、对电极，其中，半导体光电极为电子传输提供通路，同时也是量子点敏化剂附着的载体。但目前，与其它类型的太阳能电池相比，量子点敏化太阳能电池的光电转化效率偏低。量子点敏化剂是影响量子点敏化太阳能电池光电转化效率的主要因素。理想的量子点敏化剂应该具有较宽的光谱响应范围、较高的导带能级以及低缺陷态密度。其中，核壳Ⅱ型结构量子点使得光生电子和空穴空间上分离，有利于电子注入速率的提高与载流子复合过程的有效抑制。此外，“空间间接跃迁能带结构”能够有效地拓宽量子点的吸收光谱，进而增强量子点的光捕获能力。

碲化镉量子点(CdTe)的禁带宽度为1.5eV左右，具有较高的吸光系数，是一类优秀的光吸收材料。目前CdTe量子点的合成方法以反应介质区分为水相法和油相法。油相法以高沸点的有机溶剂为反应介质，在较高温度下完成反应，产物结晶度高、表面可修饰性好，是光电器件制备中首选的材料合成方法。但在量子点的沉积过程中，油溶性量子点需通过配体交换才能锚定在光电极上，水相法合成的量子点可直接使用，操作简单。

然而，在多硫电解质中，CdTe的稳定性较差，通过在其表面包覆硫化镉(CdS)形成CdTe/CdS核壳量子点，则避免了量子点在多硫电解质中的降解。但由于CdTe与CdS的导带能级接近，形成的CdTe/CdS核壳结构以Ⅰ型能级结构为主，不利于光生载流子的传输。

安利民等(安利民,曾庆辉,赵家龙et al,CdTe/CdS量子点的Ⅰ-Ⅱ型结构转变与荧光性质,高等学校化学学报.)制备了壳层厚度可以精确控制的CdTe/CdS核壳量子点，并利用多种技术分析了CdS壳层厚度对CdTe量子点的荧光量子产率和光谱结构的影响规律，发现：随着CdS壳层厚度的增加，CdTe从Ⅰ型结构逐渐过渡到Ⅱ型核壳结构。这是因为，由于CdTe与CdS导带能级接近，需要较厚的CdS壳层才能使CdTe@CdS核壳量子点形成Ⅱ型能级结构。但当壳层过厚时，将其应用于量子点敏化太阳能电池将不利于空穴的消除。

针对上述问题，本发明在CdTe中引入Zn元素，制备三元量子点，通过组分的调控与CdS形成Ⅱ型核壳结构量子点，避免了CdS壳层过厚的问题。

发明内容

本发明公开了一种新型的核壳结构量子点，在低厚度的CdS壳层下获得了Ⅱ型核壳结构。以该结构的量子点制备的量子点敏化光电极的光捕获能力得到显著提高，而光生电子的注入效率并未受到影响，以此制备的量子点敏化太阳能电池有望具有更加优异的光电转化效率。

具体技术方案如下：

一种Ⅱ-型核壳结构量子点，包括壳层与核层，组成为CdZnTe@CdS，所述元素Cd与元素Zn的摩尔比为0.15～1.8：1。

本发明另辟蹊径，通过对内核的组成与含量进行调控，实现了在低厚度的CdS壳层下获得Ⅱ型核壳结构，避免了现有技术中制备CdTe/CdS核壳量子点时，或者通过将CdTe内核的粒径控制在2nm下，或者通过增加CdS壳层的厚度(不低于1nm)来获得Ⅱ型核壳结构。制备工艺简单易行，且不会对光生电子的注入效率产生影响。