[发明专利]基于石墨烯量子点的染料敏化太阳能电池光阳极、制备方法以及在太阳能电池中的应用

说明书

本发明涉及基于石墨烯量子点的染料敏化太阳能电池光阳极、制备方法以及在太阳能电池中的应用。本发明利用葡萄糖溶液为前驱体，通过特定的加热时间，一步水热法合成了石墨烯量子点材料，该材料表现出不随材料尺寸变化的紫外吸收和荧光特性，将其引入修饰TiO₂光阳极，得到的染料敏化太阳能电池光阳极表现出最佳的光电转化性能，GQD与染料分子和TiO₂之间分别存在共振能量转移效应和超快电子转移通道，增强了电池的电流密度。

技术领域

本发明涉及基于石墨烯量子点的染料敏化太阳能电池光阳极、制备方法以及在太阳能电池中的应用，属于量子点敏化太阳能电池技术领域。

背景技术

石墨烯量子点(GQD)由于其量子边缘效应，具有费米能级，可以激发电子，是一种一种新兴的半导体材料，已经成为重要的研究领域，在能源、生物医药等领域得到广泛的应用。已知GQD的尺寸和表面基团(-COOH、-C-H、-C-OH等)对其电荷分离、电子存储和输运性质有着重要影响。因此GQD的可控调节是促使其进一步应用的关键技术。

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells，简写为DSSC)是一种新型太阳能电池器件，具有简单的制作流程，廉价的原材料，可观的光电转化效率等优点，因此具有广阔的研究和应用前景，受到了极大的关注。DSSC器件是典型的三明治结构，由光阳极，染料，电解液和对电极组成。掺氟的氧化锡(FTO)与无机半导体薄膜组成光阳极，染料充当吸光材料，电解液作为氧化还原剂，Pt电极作为对电极。由于GQD具有增强光电转换的能力，越来越多的科研工作者开始将石墨烯量子点与太阳能电池相结合，凭借其优异的光电性质来提高电池的性能。文献M.L.Tsai,et al.,Efficiency Enhancement of SiliconHeterojunction Solar Cells via Photon Management Using Graphene Quantum Dotas Downconverters,Nano Lett.16(2016)309–313，在n型Si异质结太阳能电池中掺杂GQD，通过GQD的光子降频转换现象，使更多的光子在耗尽区吸收，以实现有效的载流子分离，从而增强了光伏效应。文献I.Mihalache,et al.,Charge and energy transfer interplayin hybrid sensitized solar cells mediated by graphene quantum dots,Electrochim.Acta 153(2015)306–315，利用GQD与N3染料一起作为敏化剂，使得DSSC的转换效率得以提高。实验分析表明，这种改善源于引入GQD导致的能级级联作用，使电荷分离和收集增强；另外，由于GQD光致发光和N3染料吸收光谱之间存在重叠，引起了能量的转移。但是该文献仅是对石墨烯量子点与染料的共敏化作用提出了理论解释，缺乏详细的对比研究，没有进一步探索最佳的共敏化条件，而且受限于当时的实验水平，使得太阳能电池的效率偏低，无法满足当前的发展。

中国专利文献CN106057473A公开了一种基于石墨烯量子点的全天候介孔敏化太阳能电池及其制备方法和应用，具体是将糖类在一定温度下回流加热熔融，最终制得石墨烯量子点，并将其分散在水中形成水溶液。该方法利用石墨烯量子点可调的光学带隙、光吸收以及多激子产生效应，进而组装成全天候介孔敏化太阳能电池。但是该方法生产石墨烯量子点需要额外的掺杂剂，导致成本高，步骤较为繁琐。而且该太阳能电池采用单纯石墨烯量子点进行敏化，导致太阳能电池的开路电压和填充因子较低，从而整体的电池性能受限。

中国专利文献CN106206032A公开了一种用天然大分子制备的石墨烯量子点及其在制备量子点敏化太阳能电池中的应用，具体是将淀粉等原料与硫酸进行水热反应即可生成石墨烯量子点。本发明充分利用天然大分子，如淀粉、乙基纤维素、麦芽糖醇、蔗糖等，通过水热法一步制备得到石墨烯量子点，制得的石墨烯量子点发光颜色可调控，性能稳定。

同样该太阳能电池是采用单纯石墨烯量子点敏化，受限于单一量子点敏化作用，太阳能电池的效率低下，远不能满足商业应用。