什么是量子邱健蓄电池Trojan电瓶

量子电池 篇1

量子点敏化剂能够很好地处理有机染料存在的许多问题。量子点是三维尺度都满意小的纳米资料,电子的运动在三维上都是量子化的。量子点作为敏化剂首要有以下长处: 1)量子点敏化剂品种多,来源广,本钱较贱价,制备工艺相对简略; 2)量子点具有量子限域效应,可经过调控其粒径来改动能带宽度,拓展对太阳光谱的吸收规模 ; 3)充沛运用量子点的热电子以及单光子激发多光子发射(多激子发生)的功用,显着进步电池的转化功率; 4)相关于有机染料,量子点具有十分好的光学安稳性; 5)量子点敏化剂不存在有机染料敏化剂由于厚度而下降光吸收的问题。更重要的是,半导体量子点或薄膜的出产比块体廉价,它们的组成温度更低,而且能够选用液相法制备。因而,半导体量子点是开展敏化太阳能电池的优异资料。

 

1 量子点敏化太阳能电池的结构和作业原理

 

量子点敏化太阳能电池的电解池是由光阳极、电解质和光阴极组成的“三明治”结构电池[1](图1)。光阳极首要是在导电衬底资料上制备1层多孔半导体薄膜,并吸附1层光敏化剂;光阴极是在导电衬底上制备1层含铂或碳等的催化资料[2]。下面以CdS e-Ti O2为例介绍量子点敏化电池的作业原理。如图2所示,首要电解质中的Cd Se吸收光子,使电子激发到导带,一起在价带发生空穴,由于量子点的导带和TiO 2的导带能级十分匹配,所以纳米Cd Se导带上发生的电子就会注入到Ti O2的导带,然后传输到搜集电极,别的一极一起发生氧化复原反响,将电子从头复原给Cd Se纳米颗粒,然后完结一个循环[3]。

 

2 量子点敏化剂的堆积办法

 

量子点敏化太阳能电池中的量子点堆积办法首要分为两类:原位堆积和非原位堆积。

 

原位堆积是指在宽带隙半导体上原位成长量子点,首要包含化学浴堆积法和接连离子层吸附与反响法。这类办法的长处是量子点外表覆盖率高,量子点与半导体氧化物能够直触摸摸,电子注入速率高,缺点是量子点尺度不容易操控,量子点尺度散布宽,内部电荷复合率高[4]。

 

非原位堆积是指先组成尺度和描摹可调、外表钝化的胶体量子点,然后经过非原位的办法(如直接吸附或衔接剂辅佐吸附),将量子点堆积到宽带隙半导体资料上[5]。油相组成是量子点常用的组成办法,量子点外表一般都包覆一层长链的有机分子包覆剂(如烷基膦、烷基膦氧化物和烷基胺),这些长链分子构成阻挡层,导致量子点与宽带隙半导体之间较低的电荷转移。这种依靠长链分子直接吸附的缺点是量子点覆盖率低[6]。

 

为战胜上述缺点,衔接剂辅佐吸附得到广泛运用,选用短链的双官能团分子(如巯基乙酸)衔接量子点和宽带隙半导体。水相组成的量子点一般外表现已被水溶性双官能团分子衔接剂(如巯基乙酸或巯基丙酸)包覆,因而它们能够直接吸附到宽带隙半导体的外表。一般,非原位堆积的量子点在宽带隙半导体外表的覆盖率都比原位堆积低,使得量子点的光吸收低,然后导致量子点敏化太阳能电池的短路电流较小,影响电池功用[7]。

 

3 Cu2S 对电极的制备及功用

 

金属硫化物如Pb S、Co S已被证明在QDSCs中具有较好的催化活性,可是它们在S2 -/S2x -多硫电解液的安稳性还有待进步。具有更高催化活性的Cu2S对电极已有报导,但在QDSCs的运用还不够遍及。剖析原因有:1) 以铜片为基底制备的Cu2S在多硫电解液中的安稳性尚存争议,铜片易被S2 -/S2x 腐蚀;2) 在导电衬底资料 ( 一般是掺F的Sn O2,简称FTO) 上制备的Cu2S纳米薄膜易掉落,其功用相关于Pb S和Co S有着较大距离,故关于Cu2S对电极愈加深化的研讨就显得尤为重要。

 

3.1 铜片基底腐蚀制备 Cu2S 对电极

 

将黄铜片用砂纸打磨洁净,置于乙醇中超声清洗,然后浸入浓盐酸中,70℃煮5min,用水和乙醇冲洗,晒干,将配好的多硫化钠电解质滴加在盐酸处理过的铜片上,反响10min,铜片和电解质触摸外表变黑,生成Cu2S。将处理好的铜片用水和乙醇冲洗,晒干,得到对电极。以铜片为基底的Cu2S对电极能够显着进步QDSCs的光电转化功用,可是此种对电极存在着丧命的缺点:电池的功用随时刻急剧衰减,不能满意室外长期光照下运用。这首要是由于所生成的Cu2S层并不是细密的薄膜,多硫电解质能够透过Cu2S层与铜基底反响,消耗电解液,然后导致QDSCs的功用衰减。

 

3.2 电镀腐蚀法制备的 Cu2S 法

 

Zhong经过电镀法在FTO导电玻璃基板上电镀一层细密的Cu膜,然后用多硫化物溶液腐蚀Cu膜15min,得到了Cu2S细密薄膜。以这种细密的Cu2S膜作为对电极,Cd Se Te为量子点,能够得到高功用(η=6.36%) 且安稳的QDSCs。此QDSCs的光电转化功用20d之后依然能够保持在6% 以上。这首要是由于脉冲电镀的Cu膜细密且和FTO导电玻璃基板具有杰出触摸性,防止了较大的界面阻抗和电极腐蚀,进步了电池的功用和安稳性[8]。

 

3.3 前驱体 (N2H9Cu7S4) 加热分解制备 Cu2S 对电极

 

将硫化亚铜 (Cu2S) 粉和单质硫 (S) 粉一起参加到4m L水合肼 (99%) 中,室温下持续搅拌96h,至固体粉末溶解,得到浅黄色前驱体N2H9Cu7S4复合物溶液,过滤得弄清溶液。后旋涂于FTO玻璃上,在氩气气氛维护下150℃煅烧1h。所得Cu2 S薄膜为纳米片组成的多孔结构,此结构有利于电解质在对电极中的浸透,然后进步Cu2S对电极的催化活性。

 

3.4 Cu2S 复合对电极的制备

 

2011年,Kamat试验组组成了Cu2S@RGO的复合对电极。具体办法是:氧化石墨烯 (GO) 和醋酸亚铜溶解于乙醇中,冰水浴超声60min,所得产品离心洗刷干燥后分散于乙醇中,经紫外线照射,用N2/H2将GO和醋酸亚铜分别复原为RGO和零价铜,后将其浸入多硫化钠溶液中,得Cu2S@RGO粉末。将Cu2S@RGO粉末与聚偏氟乙烯 ( PVDF)、N-甲基吡咯烷酮混合制成浆料,丝网印刷在FTO玻璃上,110℃煅烧得到Cu2S@RGO薄膜对电极。该电极有用进步了QDSCs电池的开路电压和短路电流,极大地增强了QDSCs的光电转化功率,相对Pt对电极的QDSCs,光电转化功率能够进步57%[9]。

 

4 量子点敏化剂的改性

 

4.1 量子点敏化剂的外表钝化

 

量子点敏化太阳能电池的低功率一般是由量子点外表态复合或背电子转移构成的。宽带隙半导体/ 量子点和电解液 / 量子点界面上的电子复合是量子点敏化太阳能电池重要的背反响进程。外表态又称作缺点态,搅扰电子从量子点向宽带隙半导体注入。在量子点外表分子改性或堆积另一种半导体资料是常用的外表态钝化办法。

 

4.2 量子点敏化剂的金属掺杂

 

常用的量子点敏化剂,如Cd Se量子点,一般只能吸收波长小于650nm的可见光。掺杂是半导体量子点改性的常用办法。掺杂过渡金属离子(如Mn2+)的量子点的电学和光学功用都或许会发生改动。杂质在量子点的禁带中构成新能级然后改动了电荷别离和复合动力学。操控杂质的品种和浓度能够调整量子点的光学和电学功用。在Mn-Cd S量子点中,锰杂质在Cd S量子点的禁带中发生中心能级,能够捕获量子点激发态的电子,约束了电子与空穴或氧化态多硫电解液的电荷复合[10]。事实上,锰掺杂导致作业电极的电子累积增多,使其费米能级更负。

 

4.3 量子点敏化剂的共敏化

 

寻觅适宜的可见光全光谱吸收的量子点资料是量子点敏化太阳能电池研讨的热门之一。CdS、Cd Se量子点是最常用的量子点敏化剂。Cd Se导带底比TiO 2高,有利于电子注入,可是Cd S体资料的禁带宽度为2.25e V,只能吸收波长小于550nm的可见光。Cd Se能够吸收波长小于720nm的可见光,可是其导带底低于Ti O2的导带底,电子注入速率小。现在研讨的量子点敏化剂都无法将可见光波长规模彻底吸收[11]。为了进步可见光吸收规模和强度,量子点共敏化剂常被用于制备量子点敏化太阳能电池。

 

4.4 染料和量子点共敏化

 

染料敏化剂是染料敏化太阳能电池的核心部件之一, 与量子点敏化剂比较, 染料的光吸收规模更宽,常用的钌染料能够吸收大部分可见光。另一种进步量子点敏化太阳能电池功用的策略是一起运用胶体量子点和钌染料共敏化。染料的运用除了能够进步敏化剂的可见光吸收规模,一起染料 / 量子点共敏化还削减了量子点的电荷复合损失,然后有用进步电荷别离。有研讨标明Cd Se量子点和染料共敏化能够极大地进步量子点向Ti O2的电子注入。

 

5 光阳极上半导体薄膜的制作办法

 

制备光阳极纳米多孔薄膜的办法许多,包含溶胶 - 凝胶法、粉末涂敷法、水热法、液相堆积法、化学气相堆积法、电化学法等[12]。

 

5.1 电化学堆积

 

Nogami等运用常规的三电极系统,以金属Ti为前体 , 经过电沉 积技能,构成Ti O(OH)2·x H2O溶胶然后经过高温烧结处理取得Ti O2多孔膜。Yamamoto等以Ti O2P25为前体,运用阴极电堆积技能,然后经过烧结取得Ti O2光阳极,得到总功率为4.13% 的电池。

 

5.2 喷发分解气相堆积

 

Choy等经过喷发分解气相堆积技能 (ESVAD),以异丙醇钛为前驱体 , 经过在高温加热的基板上施加静电场 , 取得了多孔薄膜。ESVAD技能的长处是操作简略,能够很容易地操控膜的厚度以及接连制备薄膜,可是光电功率不高,现在多用于细密Ti O2薄膜的制备。

 

5.3 粉末涂敷法

 

粉末涂敷法在工业出产中称为丝网印刷法,具有工艺简略、适宜大规模出产等长处,为电池的大规模工业化奠定了根底。在大面积制备光阳极方面,选用丝网印刷技能,将适量的含纳米粒子的浆料滴加在丝网上,用软质刮刀刮去剩余溶胶后在必定温度下烘烤数分钟,重复以上操作直到取得所需厚度的薄膜停止,然后经过烧结取得纳米晶多孔电极[13],被认为是现在具有工业化远景的技能,但该技能制备的光阳极在大面积规模内器材的光电转化功率则显着下降,而且操作较难。

 

5.4 刮涂制膜技能

 

现在广泛运用的是由Gratzel报导的刮涂制膜技能。具体过程是:将异丙醇钛在低温下参加到硝酸的水溶液中, 然后在80℃下水解8h取得白色溶胶,将其浓缩并在220~250℃下高温水热反响12h,最终得到粒径为10~30nm的锐钛矿晶型的Ti O2溶胶。在该溶胶中参加适量的聚乙二醇(PEG),将黏质的液体涂敷在导电基底上,经过450℃烧结 , 即可取得多孔Ti O2薄膜。运用该技能制备的多孔膜,比外表积较大,膜的平整度较好,制备的电池光电转化功率高;缺点是操作杂乱,难以完成规模化制备。

 

5.5 逐层堆积法

 

逐层堆积法也是现在广泛选用的技能之一,最先由Tennakone提出。将异丙醇钛醋酸和异丙醇溶液以必定比例参加到必定量的Ti O2粉末中,充沛研磨后刮涂到加热的导电玻璃上,干燥后在450℃烧结10min,反复涂膜屡次,直到取得半通明多孔膜停止。该技能制备的多孔薄膜外表粗糙,崎岖较大,孔隙和孔径均相对较大,十分有利于固态电解质的填充;缺点是操作杂乱,Ti O2损耗量过大,难以完成规模化制备[14]。

 

6 总结与展望

 

作为新一代太阳能电池,量子点敏化太阳能电池具有吸收广、多激子和安稳的优势。选用量子点作为新的光捕获剂, 并在电极上组成有序一维纳米结构, 能改进量子点太阳能电池的功用。

 

量子点敏化太阳电池对电极研讨开展 篇2

与染料敏化太阳能电池( DSSCs) 结构类似,QDSCs首要由光阳极( 吸附有量子点的半导体多孔膜) 、电解质 ( 一般为S2/ S2x多硫电解质) 和对电极 ( 涂有催化活性物质的FTO) 三部分组成。对电极也称光阴极,一般是由掺氟氧化锡导电玻璃 ( FTO) 和涂在FTO外表的催化层组成的,其首要效果是搜集光阳极传输的电子和催化电极上的氧化复原反响。别的,它还起到加快电解质和阴极电子之间交流速度以进步光电转化功率的效果。功用杰出的对电极应具有优秀的导电性和对电解质中氧化复原反响催化活性高的特点。QDSCs最常用的电解液为S2/ S2x多硫电解质,也有少数运用Co2 +/ Co3 +基或其它电解质[4]。 在多硫S2/ S2x电解质系统中,DSSCs中表现杰出的传统Pt电极和其它贵金属电极的催化活性较低,其原因是Pt电极外表吸附S原子,使电池内部界面阻抗变大,导致电池的光电功用很不抱负[5,6]。为此,人们开展了许多作业来研讨Pt电极的替代资料。现在研讨最多的首要有Cu2S,Pb S,Co S2等金属硫化物资料,CuxSe,Pb Se等金属硒化物资料,RGO - Cu2S,ITO @ Cu2S,CB / Pb S等复合资料。现在效果最好的是复合资料,相关于其它单一资料制备的对电极,复合资料对电极能够显着地下降QDSCs的界面阻抗,进步其光电转化功率。

 

本文系统的介绍了不同类型对电极资料的制备及其功用, 针对不同资料对电极中的导电性及催化活性所引起的电池光电功用及安稳性等进行评价,一起指出了对电极研讨中存在的问题和今后的开展方向。

 

1 铂( Pt) 电极

 

传统运用于DSSCs的对电极是铂 ( Pt) 对电极,Pt是一种具有很高催化活性的金属,在I-/ I3氧化复原电对以及阴极电子之间的电荷交流速度较快,一起Pt层还具有反光效果,能够进步DSSCs光运用率,然后进步了电池的光电功用。现在Pt电极的制备办法首要有电子束蒸腾法、真空镀膜法、溶液的热分解法、电镀法等[7,8]。不同办法所制备的Pt对电极厚膜比薄膜具有较小的传输电阻、但催化活性根本相同[9]。当Pt电极运用于QDSCs时,由于在催化进程中Pt会吸附S原子,导致电荷的界面复合增大,催化剂活性下降,电池填充因子下降,光电转化功率不抱负。

 

2 金属硫化物对电极

 

在QDSCs的对电极中,过渡金属硫化物以其较高的催化活性被广泛运用,现在过渡金属硫化物的制备办法首要有复合物溶液热分解法[10]、电镀金属腐蚀法[11]、金属基底腐蚀法[12]、 金属硫化法等。Pan等用电镀的办法首要在FTO基底上电镀一层细密的铜膜,再用多硫化钠溶液腐蚀铜膜,得到细密的Cu2S对电极,运用于Cd SexTe1 - x敏化的太阳电池取得了高达6. 36% 的功率和长达20天的安稳性[13]。这是由于此法制备的Cu2S催化活性高,对电极膜的细密性好和FTO的触摸较紧密,不易掉落。但电镀时刻较长不易于大规模出产约束了其进一步运用的或许性。Tachan等用多硫化钠溶液腐蚀铅箔的办法制备Pb S对电极,该对电极表现出较低的电荷传输电阻和较高的电催化活性,进步了电池的开路电压和填充因子,使得Cd Se敏化太阳电池到达3% 的功率[14]。这种办法存在和铜基底腐蚀法相同的缺点,电解液会浸透腐蚀铅基底,构成Pb S从基底掉落电池安稳性较差。Faber等运用硫蒸气和热堆积的Co化合的办法在FTO上的Ti膜上组成了Co S2对电极,Co S2在S2/ S2x的氧化复原反响中显现出较好的催化活性和耐腐蚀性,然后进步了电池的短路电流和填充因子,使封装的Cd S/Cd Se共敏化太阳电池到达4. 16% 的功率[15]。但此法过程较多进程繁琐,电子束蒸腾不易大面积低本钱完成。

 

3 金属硒化物对电极

 

Choi等用接连离子层堆积反响法( SILAR) 在FTO上制备出Cu1. 8Se和Pb Se对电极,指出Cu1. 8Se具有比Cu2S更好的催化活性,得到高于Pt电极2倍的电池功率,一起电池也表现出较好的安稳性,而Pb Se由于易被氧化为Pb O安稳性不佳[16]。 Choi等的研讨为金属硒化物作为对电极拓荒了新的途径和办法。Ji等用和Choi相同的办法制备出Ni Se2,Co Se2,Mo Se2, Ni Se2等金属硒化物对电极用于DSSCs中,得到比Pt更好的催化效果,一起指出金属硒化物与同金属硫化物比较,具有更小的界面阻抗[17]。能够预见,在今后的深化研讨中金属硒化物在QDSCs中也会体现出其优秀的电化学活性。

 

4 复合资料对电极

 

Radich等将GO和Cu Ac溶解于乙醇中,旋涂与FTO玻璃上,经紫外线处理构成复原和多硫化钠溶液腐蚀后得到RGO Cu2S复合资料。将复合资料与PVDF和N - 甲基 - 吡咯烷酮混合制成浆料,网印在FTO玻璃上,煅烧后得到RGO - Cu2S复合资料对电极[18]。运用Cu2S @ RGO复合资料作为对电极, RGO能够供给较快的电荷传输通道,有用的进步QDSCs电池的开路电压和短路电流,使QDSCs的光电转化功率进步到4. 4% 。Jiang等预先组成ITO纳米线,用离子交流法将Cu2S负载到ITO纳米线上,制备出ITO@ Cu2S复合资料对电极,由于ITO纳米线优秀的导电才干,使得电池的串阻和电荷传输阻抗显着下降,加快了电荷的别离,比运用单一Cu2S对电极的电池功率进步了35% ,显现出较好的导 电性和催 化活性[19]。 Yang等将炭黑( CB) 参加Pb S中制成浆料用刮涂的办法制备出CB / Pb S复合资料对电极,取得了3. 91% 的光电转化功率和长达1000 h的安稳性[20]。首要是由于: 导电性较好的网状CB供给电荷传输通道的一起为Pb S的负载供给了较大的面积,使对电极的导电性和催化活性得到很大进步。

 

5 结 论

 

从现在的研讨成果能够看出未来QDSCs对电极的开展趋势: 1制作工艺简略、本钱低; 2导电性好、催化活性高;3具有较高化学安稳性; 4适宜大面积制备。相信在未来几年内,复合资料对电极因其催化活性高,电子传输才干强,活性物质负载量大,化学安稳 性好,本钱贱价 等特点,将成为QDSCs对电极研讨的要点。

 

摘要：对电极在量子点太阳能电池中具有重要的效果,本文首要介绍了铂、金属硫化物、金属硒化物和复合资料对电极的开展现状。复合资料对电极由于杰出的导电和催化功用,且具有较好的安稳性,现已成为取得具有高光电功率的量子点敏化太阳能电池的重要研讨方向。

 

量子电池 篇3

要害词：太阳电池,量子点,共敏化,光电转化功率

 

跟着全球气候变暖的日趋严重及石油资源的逐步枯竭, 太阳电池产业得到了蓬勃开展, 作为第三代太阳电池的量子点敏化太阳电池 (QDSSC) 更是成为世界各国科学家的研讨热门。QDSSC具有制作简略、本钱低、吸光系数大、光安稳好等长处, 且量子点可经过调理带隙尺度及多激子共同的效应, 使其具有高达66%的理论转化功率[1,2,3], 因而QDSSC具有巨大的开展潜力。

 

但是, 由于量子点与氧化物半导体的能级调配、电解液的腐蚀等原因构成QDSSC的实践转化功率较低, 因而怎么改进敏化剂这个要害组成要素, 是研讨者一起关怀的问题。经过将量子点敏化剂的共敏化, 可使不同尺度、类型的量子点吸收光谱互补, 扩宽光谱呼应规模, 处理了量子点与氧化物半导体能级调配等问题, 然后进步了量子点太阳电池的功率。因而, 本研讨首要简要介绍了QDSSC的开展进程和结构原理, 要点介绍了根据量子点的共敏化的染料敏化电池的研讨开展。

 

1 量子点敏化太阳电池的开展进程与结构原理

 

对敏化太阳电池的研讨热潮由瑞士的Grtzel教授1991年在Nature宣布染料敏化太阳电池功率超越7%而敞开[4], 经过Grtzel研讨团队经过后续的改进, 现在染料敏化电池上最高功率可达11.18%[5]。

 

QDSSC最初由Nozik在1998年提出[6], 其组成结构与染料电池类似, 只是量子点替代了染料分子。QDSSC首要由通明导电玻璃、氧化物半导体、染料光敏化剂、电解液、对电极组成, 如图1所示。

 

由通明导电玻璃进入的太阳光将供给满意的能量用于量子点敏化剂中的电子由价带激发到导带, 导带中的电子注入到氧化物半导体 (如TiO2或ZnO) 中, 氧化物半导体中的电子会由阳极的导电玻璃基板传导至阴极, 此时电解质会发生氧化复原反响, 平衡量子点的空穴与对电极的电子, 而受复原的染料可再次吸收光发生电子, 因而构成了一个完整的量子点敏化太阳能电池的作业循环[7]。

 

2 量子点共敏化太阳电池的研讨及开展

 

量子点的共敏化即经过调配多种不同尺度、类型的量子点作为敏化剂, 使敏化剂吸收光谱互补, 扩宽了光谱呼应规模, 进步了电池的阳光运用率, 处理了量子点单一敏化吸收光谱的约束, 一起量子点共敏化还可调理量子点与氧化物半导体的能级调配, 促进电子与空穴的别离, 进步电子注入速率, 然后可大起伏进步电池功率[8], 示意图如图2。

 

2.1 量子点CdS/CdSe共敏化系统

 

在研讨最为广泛的CdS/CdSe共敏化系统中, Lee[9]发现经过扩展CdSe的能级使TiO2/CdS/CdSe构成了阶梯能级结构, 在参加ZnS防护层后, 电池功率进步至3.7%。一起在运用Au替代Pt作为对电极, 得到了高达4.22%的电池功率。Guan等[10]将直接从TiO2薄膜上剥离的TiO2纳米管成长在FTO上, 研讨了最佳CBD 50min和6h的CdS、CdSe时刻, 在结构为compact TiO2/TNT arrays/CdS/CdSe/Cu2S的电池取得3.01%的功率。Zhang等[11]研讨了不同结构的TiO2电极在CdS/CdSe共敏化电池中的表现, 发现散射层能扩展光路长度及削减电子与空穴的复合, 长波长区域的吸光率随TiO2粒子尺度增大而添加, 并制作了双层光阳极电池, 功率高达4.92%。Hossain等[12]探讨量子点CdSe与CdS/CdSe共敏化后的影响, 发现CdS能够增强光的吸收及促进CdSe叠层的成长, 但CdS缓冲层却阻碍了电子到TiO2的注入, 加快了电子与空穴的复合, 最终下降了电池的功用。Hossain一起研讨了量子点的接连离子层吸附反响法 (SILAR) 最佳次数, 制作的TiO2/CdS (5) /CdSe (5) /Cu2S电池功率到达4.02%, TiO2/散射层/CdSe (9) /Cu2S的电池得到了5.21%的高功率。

 

2.2 根据氧化物半导体掺杂的量子点共敏化太阳电池

 

运用多种氧化物半导体组成光阳极或在氧化物半导体中掺入其他元素能够改动其原有性质与结构, 进步电池功率。Jiang等[13]在TiO2纳米晶掺入Nb元素, 再运用SILAR共敏化上CdS/CdSe。研讨显现, 在得到的掺入2.5mol%Nb的电池比未经掺杂的电池功率高出两倍, 短路电流密度到达20.37mA/cm2, 光电转化率高达91%, 电池功率3.3%。Santra[14]将CdS/CdSe共敏化在TiO2薄膜, 并在量子点CdS中掺入Mn, 导致在CdS/CdSe中构成了一个中心带, 削减了电荷的复合。经测验, 在运用Cu2S/氧化石墨烯作为对电极的电池中, 取得了在CdS/CdSe共敏化系统中现有报导最高的5.42%的功率。Yang等[15]在介孔结构的TiO2/SiO2电极上, 共敏化了两种313nm与323nm尺度的CdS, 将电池功率由本来单一尺度的CdS电池的0.53%进步至1.55%。Wang[16]在CdS/CdSe的共敏化系统下, 研讨了介孔TiO2/SiO2混合膜作为光阳极, 并确定了SILAR的最佳次数。经最佳6次SILAR的CdS组成的电池得到了最高的2.15%功率。

 

2.3 其它量子点共敏化系统的研讨开展

 

在其它量子点共敏化系统中, Li[17]研讨了CuTsPc、铜酞菁 (CuPc) 与CdS量子点的共敏化, 并运用了TiO2纳米管作为阳极。发现得到的电池短路电流及光电转化率均高于单一量子点组成的电池, 且促进了光吸收及电子、空穴的别离。Tubtimtae[18]共敏化了Ag2S/CdS, 研讨发现将不同能带的量子点堆积到TiO2外表并组成双层的TiO2电极, 添加了电池的吸光规模和强度。在最优CdS (3) /Ag2S (4) 的堆积次数下, 取得了20.6mA/cm2的Jsc及1.41%的功率。Jiao[19]研讨了CdS与PbS量子点的共敏化, 运用TiO2纳米棒阵列作为光阳极, 取得了2.0%的电池功率。Yu[20]发现在量子点CdS中参加多金属氧酸盐 (POM) 能够进步电子的注入速率, 经运用SI-LAR和CBD法将POM与CdS在TiO2纳米管上共敏化得到的电池, 短路电流、填充因子及电池功率均较单一CdS量子点组成的电池都得到了进步。Zhou等[21]运用多层孔隙散布的TiO2作为光阳极, Cu2S/C作为对电极, 研讨了在PbS/CdS共敏化系统下最优的SILAR次数与CdS堆积时刻及膜的厚度, 并在光阳极上参加了TiO2散射层。经测验标明TiO2散射层的参加使电极能够具有有用的散射才干及更大的外表积, 在3次SILAR的PbS与1h的CdS堆积时刻及9μm的NL厚度所拼装的电池取得了最高3.82%的功率。Gur[22]将CdSe与CdTe由旋转涂布和热处理构成细密的双层结构, 运用量子点自身的能级摆放唆使电子向外电路传导, 长处在于无需电解及光腐蚀问题, 电池功率可达2.9%。Lan[23]用21nm的TiO2纳米粒子堆积到FTO上, 经过不同的热处理进程在电极上堆积不同粒径的CdTe, 取得了2.2%的电池功率。Li等[24]制作了结构为TiO2/CuInS2/CdS/ZnS的QDSSC, 将电池吸光规模扩展到800nm, 并在510nm取得了高达80%的光电转化功率, 一起按捺了电子与空穴的复合, 使电池具有较高的Jsc和Voc, 得到了4.2%的功率。

 

2.4 量子点与有机资料共敏化的研讨开展

 

在量子点与有机资料的共敏化研讨中, Ivan Mora-Seró在CdSe量子点上附着N3染料分子, 用外表光电压谱的办法观测到从量子点注入到TiO2薄膜内的电子添加了5倍[25]。Jun[26]运用SILAR法共敏化N3染料和Ag2S/CdS量子点, 运用LiBOB液态电解质, 制作的电池功率到达1.66%。Ji等[27]在TiO2纳米管上运用S-CBD法共敏化上N3染料与Ag2S量子点, 用Pt作为对电极。装配出的电池功率从本来N3单一敏化剂的3.64%进步至4.40%, 电流密度从8.5mA/cm2添加到10.2mA/cm2。Li等[28]研讨了量子点CdS与锌卟啉 (ZnMOHPP) 的共敏化, 运用TiO2纳米管作为光阳极。经测验, 电池的吸光规模及光催化活性都得到了添加。Lee等[29]将有机染料Z907Na与无机资料CdSe一起共敏化, 并运用[Co (o-phen) 3]2+/3+作为电解液, 制作的电池功率高达4.76%。Wang等[30]在TiO2纳米管上将N719染料与CdS量子点共敏化, 在经过4次CBD的13nm CdS量子点及退火温度初从始的400度依次在每次CBD后下降100度的条件下, 电池比单一CdS量子点的电池功率进步了1.6倍至2.81%。

 

本研讨整理了近年来功率超越3%的QDSSC, 如表1所示。

 

 

注:a表示在0.12标准光强下照射

 

3 结语

 

量子电池 篇4

跟着社会的进步和经济的开展, 人类面临着动力危机和环境污染两大难题。以往运用的石油、煤炭和天然气等传统化石动力终究有一天会耗尽, 而且化石燃料许多运用发生的二氧化碳会构成全球气候变暖和温室效应等一系列环境污染问题。因而开发出廉价、污染小和能够再生的新动力现已成为当时的一个要点研讨范畴。其间占地球总能量99%以上的太阳能, 由于具有取之不尽、用之不竭、没有污染等长处而备受各国科学家的注目[1]。

 

运用光电转化技能将太阳能直接转化成电能的太阳电池是太阳能运用最有用的办法, 也是现在研讨的要点。其间作为第三代太阳电池的染料敏化太阳电池 (Dye-sensitized solar cells, DSSC) 由于具有较高的能量转化功率 (安稳在12%以上[2]) , 贱价的本钱 (仅为硅太阳电池的1/5~1/10) 以及简易的出产进程而备受关注, 现在最新研制的钙钛矿敏化太阳电池, 其光电转化功率乃至到达了15%以上[3]。在DSSC的根底上进行改进的量子点敏化太阳电池 (QDSSC) , 是将DSSC中的染料吸光剂用半导体纳米晶 (即量子点 (QD) ) 替换。与传统电池的染料比较, 量子点作为敏化剂具有许多长处, 其间最大的长处便是量子点具有量子尺度效应, 能够经过操控其尺度或许组分来调理带隙宽度然后改动量子点的光谱吸收规模。由于量子点敏化太阳电池的理论光电转化功率能够到达44%[4], 因而它将会对整个光伏产业发生革命性的影响。现在QDSSC的转化功率尽管现已进步到了6%以上[5], 可是与理论转化功率比较还有很大的距离, 因而怎么进步其光电转化功率成为当时的抢手研讨问题, 其间阳极结构的优化是改进其功率的重要办法之一, 而阳极结构首要包含半导体氧化物薄膜和量子点。本文首要介绍了量子点敏化太阳电池的根本结构和作业原理, 再以半导体氧化物薄膜结构的研讨为主线介绍了量子点敏化太阳电池的研讨现状, 最终对电池光阳极的研讨要点进行了总结和展望。

 

1 量子点敏化太阳电池的结构和作业原理

 

量子点敏化太阳电池具有一品种似于三明治的结构, 首要包含3个组成部分:光阳极、电解质和光阴极。光阳极首要是在导电玻璃上制备一层纳米晶半导体薄膜 (现在最常用的是TiO2薄膜) , 并吸附一层量子点;光阴极是在导电玻璃上制备一层含铂金、金或石墨的催化资料;电解质一般为I-/I3-液态电解质, 首要起再生量子点和传输空穴的效果。下面以TiO2-CdS为例简略介绍QDSSC的作业原理, 如图1所示[6,7]。在太阳光照射下, 吸附在氧化物半导体TiO2薄膜上的CdS会吸收光子, 光子将供给满意的能量使CdS的电子激发到导带, 一起在价带发生空穴而生成氧化态量子点, 由于TiO2和量子点的导带能级十分匹配, 所以量子点导带上的电子会以必定概率注入到能级较低的TiO2薄膜上, 然后传输到搜集电极。此时电解质中会一起发生氧化/复原反响, 受复原的氧化态量子点会得到电子又能够再次吸收光子发生电子, 由此构成了QDSSC的一个作业循环。但是, 在循环进程中也存在着不利于电子传输的要素构成电子和空穴复合, 例如TiO2导带中的电子与氧化态量子点间和氧化态电解液间的复合, 这些不利要素都是影响电池转化功率的重要原因。

 

2 根据TiO2光阳极的量子点敏化太阳电池

 

TiO2薄膜在QDSSC中起到多重效果, 要想得到更高的转化功率有必要具有以下特征[8]:具有满意大的比外表以供量子点附着来尽或许吸收更多太阳光;其间的孔隙被QD覆盖后还要留有满意的空间以便于电解质进入, 电解质与QD充沛触摸才干有用复原失掉电子的QD, 可是孔隙过大又会由于TiO2纳米颗粒间联接削减导致光生电子在TiO2薄膜内的传输功率下降;TiO2薄膜的禁带宽度与太阳光光谱相匹配, 这样能够有用吸收太阳光进步光生电子与空穴的别离速率。现在首要从不同空间形状、离子掺杂、多级复合以及外表处理等方面对TiO2薄膜进行研讨, 以此来进步电池的转化功率。

 

2.1 不同维度TiO2膜

 

量子点敏化太阳电池转化功率低, 其间一个很重要的原因便是量子点的附着量太低, 而增许多子点附着的办法之一便是改进TiO2膜的纳米结构。一般的办法便是运用TiO2纳米颗粒来构成多孔层。按照纳米结构空间维数能够将TiO2纳米结构分为零维TiO2纳米颗粒[9]、一维TiO2纳米线[8]或纳米管[10]和纳米棒[11]、二维TiO2纳米片[12]和三维TiO2有序序列[13], 为了充沛运用太阳光还会将光阳极做成双层乃至多层结构[14]。

 

虽然具有纳米介孔结构的TiO2颗粒具有较大的比外表积, 能够很好地搜集散射光及发生光生电子, 但其纳米晶粒间的非定向摆放下降了电子迁移率, 添加了光生电荷的复合几率。为此研讨人员规划出了微观有序一维结构的纳米管、纳米线、纳米棒等TiO2薄膜来战胜上述缺点, 进步电池功用。与纳米TiO2颗粒膜比较, 一维TiO2纳米管阵列具有较大的比外表积、阵列层与基体结合强度高级长处。别的一维纳米阵列把光生电子直接传输到电极, 可有用防止电子传输时在介孔TiO2颗粒间的碰撞跳动[15], 然后能有用进步量子点敏化太阳电池功率。Mor经过电压衰减法证明了TiO2纳米管阵列比纳米晶有更好的内部电子传输行为, 发生的电荷复合更少[16]。Wada研讨小组经过对电子系数和电子寿数的测定也得出了类似的定论[17]。Frank等[18]经过对电流强度的测定进一步认为纳米管阵列比纳米粒子具有更高的吸收功率。别的Xiu等选用真空蒸镀和高温煅烧办法能够从蝴蝶翅膀鳞片生物模板上复制得到二维TiO2网格, 高温煅烧之后可彻底去除生物模板, 而且经过研讨得出二维TiO2网格对CdTe量子点具有杰出的吸附功用, 比较TiO2颗粒膜, 吸附的量子点也更为均匀, 这在量子点敏化太阳电池中有重要的意义[19]。Tang等[20]以PS胶体晶体为模板制备了三维有序结构的大孔TiO2膜, 经过光电功用测验结果标明其所构建的双层膜利于进步电池的光电转化功率。Xiao等[21]将高度有序的SnO2三维反蛋白石结构用作CdS/CdSe共敏化太阳电池的阳极, 研讨得出其光电转化功率到达4.37%, 并指出这也将是未来电池阳极结构的开展趋势, Toyoda等[22]将CdSe堆积在三维TiO2反蛋白石薄膜上得到了光电转化功率为2.7%的QDSSC。

 

2.2 掺杂TiO2以及多级复合光阳极

 

单一的纳米TiO2薄膜光电功用不是很抱负, 而恰当掺杂或许是与其它半导体资料复合能添加它的光电功用。Lopez等[23]制备了氮 (N) 掺杂的TiO2薄膜并将其用于CdSe量子点的QDSSC上, 他指出掺杂的N在TiO2导带和价带间发生了新的能态, 由于这个能态与CdSe的价带能量相近, 空穴和电子的传输得到了进步。Shu等[24]将N掺杂的TiO2微孔纳米球运用在QDSSC中得到光电转化功率为3.67%的QDSSC, 高于无N掺杂的功率 (2.14%) 。Zhu等[25]在TiO2上掺杂Zn, 电池的能量功率由1.92%上升到2.38%, 进步了24%。

 

增大光阳极氧化物薄膜的外表积能吸附更多染料敏化剂, 然后进步对太阳光的吸收, 而调制光阳极氧化物薄膜能带宽度能够构成势垒, 按捺光生电子与空穴的复合, 然后能够进步光电转化功率。由此能够规划TiO2和其它半导体氧化物复合来制备出复合薄膜光阳极, 然后进步电池功用。碳纳米管具有杰出的导电功用和化学安稳性, 引入碳纳米管层能够进步电荷搜集功率。Lee等在导电玻璃上涂单壁碳纳米管制备了CdS/TiO2量子点敏化太阳电池, 发现碳纳米管在CdS/TiO2和导电玻璃间构成了势垒, 按捺了电子从TiO2和CdS量子点导带向电解质的转移, 然后进步了电荷搜集率, 削减了电荷复合, 使光电转化功率由1.24%进步为1.86%[26]。石墨烯由于具有杰出的导电性和电子传输功用也被掺入到TiO2薄膜中起到按捺电子复合和进步电子传输的效果, Zhu等将石墨烯添加到TiO2中作为太阳电池的阳极, 测得其光电转化功率为1.44%[27]。Santra等[28]将Mn2+掺入到量子点中, 再将量子点堆积到TiO2薄膜上构成电池阳极, 以Cu2S/氧化石墨烯为对电极, 在多硫介质中取得了5.4%的高功率。

 

2.3 钝化层处理的运用

 

在TiO2阳极薄膜中存在着许多的外表态, 电荷的复合率或许较高, 由此能够为薄膜外表制备一层钝化层 (维护层) 来阻止电荷复合。Zhang等在TiO2薄膜外表制备了一层SrTiO3, 用来钝化TiO2外表, 以此来下降电极外表的电荷复合, 使电池的功率添加了70%[29]。Zhu等[30]在CdS/TiO2电极间参加ZnO层, 测出能量转化功率由1.03%进步到了1.56%, 其原因是电子传输得到了加强, 而电荷复合得到了按捺。别的量子点自身也存在着外表态, 也能够给量子点外加上一层钝化层, 由此来削减光腐蚀效应对量子点所构成的衰退, 而且延伸太阳能电池运用寿数与增强其光安稳性。Yang等[31]将ZnS运用在量子点敏化太阳电池上, 发现其光电转化功率由用ZnS处理前的2.48%进步为处理之后的3.08%。Zhu等[32]在FTO和TiO2中心涂上一层Au颗粒层, 不仅有利于激发电子的传输, 还能按捺电荷复合而进步电池光电转化功率。Liu等[33]用Al2O3涂覆在SnO2-TiO2复合膜上制备SnO2/TiO2/Al2O3薄膜电极, 使电池的光电转化功率由1.52%进步到了2.08%, 进步了37%。

 

别的, 单一的量子点敏化受吸收光谱的约束, 难以充沛吸收太阳光。将不同尺度或不同类型的量子点进行共敏化可使吸收光谱互补, 拓展光谱呼应规模, 进步电极对太阳光的运用率。最常见的共敏化电池是CdSe/CdS共敏化系统下发生的, 研讨结果标明, CdS与CdSe在光搜集上有互补效果, 研讨者们在此系统上取得了5.4%的光电转化功率。最近两年, 根据TiO2/CuInS2-QDS/CdS/ZnS电极的QDSSC能量转化功率到达4.2%[34]。

 

表1列出了当时最新研讨成果中以TiO2作为电池光阳极氧化物并经过优化处理的能量转化功率超越4.0%的QDSSC。

 

3 根据ZnO光阳极的量子点敏化太阳电池

 

现在, 纳米TiO2薄膜的研讨是热门, 但其光电转化功率迟迟未得到显着进步, 因而许多研讨者尝试用其他氧化物替代TiO2电极, 如ZnO、SnO2、Nb2O5等。在这些资猜中, ZnO是最有或许成为替代TiO2的半导体资料, 由于ZnO和TiO2均为宽禁带半导体, 导带电位相差很小, 量子点的光激发电子能够注入到导带。与TiO2比较, 电子在ZnO中的迁移率大, 这样能够缩短电子在薄膜中的传输时刻;别的ZnO的制备办法愈加多样化, 低温条件下就可完成ZnO的制备, 有望进一步下降电池的本钱[44], 但现在单从光电转化功率来看ZnO还无法与TiO2比较, 因而现在研讨中仍然是以TiO2为主。同TiO2相同, 以ZnO为光阳极时, 由于电子在多晶网络中的慢浸透约束, 孔中自身存在的缺点会捕获电子, 研讨和改进ZnO纳米晶的形状如从不规则摆放制备成纳米线、纳米管、纳米微球等能够处理此类问题。Seol等[45]在ZnO纳米线上敏化CdSe/CdS量子点, 其光电转化功率到达了4.15%。Sudhagar等[46]经过运用ZnO纳米线与Si/ZnO分层结构使量子点敏化太阳电池光电转化功率到达了3%。Liao等[47]经过电学功用测验发现经PbS量子点润饰后的ZnO纳米片比单一纳米片结构完成了光电流倍增, 功率由0.04%添加到了0.57%。Chen等[48]将碳纳米管参加到ZnO中构成电池阳极得到光电转化功率为1.46%。表2是几种典型的经过优化处理的根据ZnO光阳极的QDSSC的特性。

 

4 结语

 

量子电池 篇5

纳米结构资料的根本性质已得到广泛而深化的研讨,在高科技范畴如电子器材、光电子学、光学、摩擦学、生物技能、催化科学、人体药物等方面具有广阔的运用远景[1，2],尤其是,纳米科技在动力范畴的研讨和运用也得到了极大的关注。2005年美国动力部两度出书研讨报告,指出纳米技能在太阳能和其他动力方面的运用潜力。纳米资料的结构按尺度和描摹一般可分为4类:三维结构、二维结构、一维结构和零维结构。其间,零维结构又称量子点,是一种三维受限的低维半导体资料[3],它是将资料的尺度在三维空间进行约束,使其小于资料的Bohr激子半径[3]。由于量子点中的电子、空穴及受激粒子被约束在狭窄空间里,因而能量呈现量子化特征,成为离散状况,这使得量子点资料具有诸如吸收系数增大、多能带的构成及发生量子地道效应便于载流子的输运等许多优秀的性质,在太阳电池中具有特别的用处;使得根据量子点的太阳电池的光电转化率大大进步,理论研讨证明,选用具有显着量子约束效应和分立光谱特性的量子点作为有源区规划、制作的量子点太阳电池,能够显着进步太阳电池的能量转化功率,其极限值能够到达66%左右[4]。

 

量子点在太阳电池中的运用首要包含无机量子点太阳电池、量子点敏化电池及聚合物/量子点太阳电池。其间,聚合物太阳电池是一种新式的贱价太阳电池,具有制备工艺简略、柔韧、轻质、资料来源丰厚等共同的优势,有很大的开展潜力[5，6]。由量子点作为电子受体、共轭聚合物作为电子供体所组成的聚合物/量子点太阳电池,将有机资料高的吸收系数、优秀的成膜功用等长处和无机资料高的电子亲和能、好的物理化学安稳性和高的电子传输才干的长处结合起来,是一种新式的太阳电池。尤其是,量子点资料粒径的改变将导致其光吸收才干的改变。因而,可经过改动半导体量子点的大小,使其吸收特定波长的光,即小量子点吸收短波长的光,而许多子点吸收长波长的光,然后完成运用不同尺度的量子点扩展对太阳光谱的吸收[7],进步太阳电池的功率。由于量子点具有这些优秀的特性,量子点的制备也一向受到重视,近年来,人们开展了多种量子点的制备办法。

 

1 量子点的制备办法

 

量子点的组成办法可分为两大类,即物理法和化学法。物理办法首要有物理破坏法、重力分选法和蒸腾冷凝法等。化学办法首要有气相法、液相法和固相法,其间气相法包含真空蒸镀法、溅射法、激光气相堆积法等;液相法包含有机相组成法、水相组成法、水热法和溶剂热法、微波辅佐水热法、微乳液法、仿生组成、超声分散法等;固相法包含研磨法、烧结法、气流撞击法等。现在组成量子点资料运用最多的是液相法,首要包含以下几种办法。

 

1.1 有机相组成法

 

有机相组成法是在配体存在的条件下,根据金属有机物在高温下热分解,经过快速成核与慢速成长进程得到单分散性的量子点,一般是经过“热注入”技能来完成的。将有机金属前驱体溶液在高温(300~320 ℃)下注入配体溶剂中,系统温度将敏捷下降,使有机金属前驱体到达过饱和,瞬间构成许多的晶核(称之为晶核迸发)。跟着有机金属前驱体许多消耗后,将使反响温度骤降到200 ℃以下,成核反响终止,开始量子点的慢速成长进程。可见,经过有机相法组成量子点时,成核与成长进程能够完成较好的别离。

 

1993年Bawendi[8]报导了运用有机金属先驱体在热的三辛基氧膦(TOPO)溶剂中裂解制备高质量、单分散性的Ⅱ-Ⅵ族量子点的办法。挑选高反响活性的甲基镉(Cd(CH3)2)作为镉源,以Se和Te的三辛基嶙(TOP)配合物作为Se源或许Te源,在300 ℃左右的TOPO溶剂中进行反响。需要注意的是,系统需预先除氧并置于氢气维护下,将镉源与Se(或S、Te)快速注入反响瓶中,短时刻内将构成许多小尺度的晶核,运用此法得到的量子点粒径分散度小,晶体质量较高,反响速度快。但是,不足的是有必要运用易燃易爆及高毒性的反响前体,反响温度高,不利于试验的操作。为了添加安全性,Peng等[9]对传统的组成办法进行了改进,用CdO和Cd(Ac)2替代Cd(CH3)2,选用长链脂肪酸(或胺)作为配体,十八烯作为溶剂制备了近似单分散的高质量CdSe量子点,大大下降了试验的危险性,简化了试验操作,改进了制备条件。

 

1.2 水相组成法

 

运用有机相组成法所取得的量子点仅溶于非极性或弱极性有机溶剂,不利于在水系统中的运用。因而,水相组成量子点的办法开展敏捷且运用较多[10，11]。实践上,水相法是量子点组成中比较传统的办法,一般选用巯基小分子配位剂作为安稳剂,运用共堆积反响在水溶液中直接组成量子点。配位剂一般挑选双功用的巯基化合物,其间一端的巯基基团与量子点外表的金属离子配位结合,而另一端的NH2、COOH、OH等基团能够作为功用润饰化基团,而且保证量子点的水溶性。量子点的成核一般是在过饱和状况下生成难溶化合物,然后经过Ostwald成长熟化,该法首要用于离子性较强的Ⅱ-Ⅵ族量子点的组成。1988年,Nosaka等[12]初次报导了运用硫醇作为安稳剂制备了分散度较小的CdS量子点。随后Meisel等[13]研讨了巯基化合物在CdS量子点外表的配位,发现水相组成法中pH值对量子点的成长形式具有重要的效果。Rogach等[14]选用水相法组成了巯基乙醇和1-巯基甘油包覆的CdTe量子点,而且在Cd(ClO4)2·6H2O溶液中分别参加不同的巯基试剂作安稳剂,选用通气法制备了单分散性的各种巯基化的CdTe量子点[15]。此外,运用巯基乙酸作为安稳剂也能够在水相中组成CdTe量子点[14，15],但经过此办法制备的量子点一般结晶度不够抱负,粒径散布宽,量子产率不高。Zhang等[16]用不同的巯基羧酸作安稳剂,运用NaHTe得到尺度较均一、具有较高量子功率的CdTe量子点。王益林等[17]以亚碲酸钠为碲源、硼氢化钠为复原剂,一步组成了巯基丁二酸安稳的CdTe量子点。

 

1.3 水热法和溶剂热法

 

水热法和溶剂热法又称热液法,是在密封的压力容器中,挑选水或有机物为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反响。水热条件下反响物的温度能够进步至160~180℃,反响釜内的压力也远大于1个大气压,因而无机物的溶解度添加,量子点的成长速度大大加快。尤其是成长粒径较大的量子点时,水热法仅需数小时,大大缩短了反响时刻。此外,该法反响温度较高,因而晶体结构改进,外表缺点削减。2003年,Zhang等[18]较早选用水热法在温文条件下组成了CdTe量子点,并对安稳剂、反响物用量、反响温度以及pH值等条件进行了深化的探讨。Guo等[19]选用水热法,在180℃下,以3-巯基丙酸(MPA)作安稳剂一步组成了CdTeS合金量子点,其波长在近红外区域(650~800nm),量子产率最高可达68%。Zhang等[20]选用类似的办法,以N-乙酰-L-半胱氨酸(N-Acetyl-L-Cysteine,NAC)作为安稳剂组成了近红外的CdTe/CdS量子点,其具有很好的光学特性(量子产率45%~62%,半峰宽很窄)。Aldeek等[21]选用3-巯基丙酸(MPA)、6-巯基己酸(MHA)和11-巯基十一酸(MUA)为安稳剂,于150 ℃水相组成了CdTe量子点。谷保祥等[22]以乙醇为溶剂,在低温、常压下组成了尺度均一、描摹规则的ZnO量子点。

 

在水热法的根底上,以有机溶剂替代水作为反响介质,能够完成一般在水条件下无法进行的反响,其具有以下几个长处:(1)选用非水溶剂,使得溶剂热法可挑选的质料以及制备产品的规模扩展;(2)反响条件温文,能够组成亚稳相,开展新的组成路线;(3)在密闭条件下运用有机溶剂,能够削减环境污染;(4)溶液的快速对流消除了物料传输,有利于成长缺点少、热应力小的晶体;(5)反响温度较低,反响物中的结构单元能够完整地留到产品中,且溶剂的某些官能团能够和反响物或产品效果,生成新式资料;(6)能够防止产品外表羟基的存在。现在,运用溶剂热法已组成部分量子点资料。Yu等[23]以乙二胺为反响介质,原位反响生成了嵌有CdS量子点的复合资料。Li等[24]以CuCl、InCl3、硫和油胺(OA)作为反响物,用己烷作为溶剂,于110~170 ℃在高压釜中进行溶剂热反响,生成由OA包覆且粒径为3.5~4.2nm单分散性的黄铜矿型CuInS2量子点。笔者运用CuCl2、InCl3·4H2O、4-溴苯硫酚及Na2S·9H2O组成了闪锌矿型CuInS2量子点[25]。此外,笔者还运用Cu(Ac)2、In(Ac)3、十八烷基胺及硫脲组成了黄铜矿型量子点[26]。

 

1.4 微波辅佐水热法

 

微波反响是一种共同的反响办法,它经过几百兆乃至上千兆的交变电磁场,使具有偶极矩的分子剧烈振荡,然后将电磁能量敏捷转化为分子的热能。与一般对流加热法比较,微波加热愈加均匀,对物质进行挑选性加热,无滞后效应,能量运用功率高。根据上述长处,近年来微波加热被广泛地运用于无机纳米资料的组成。现在,微波辅佐水热快速组成量子点的办法已被人们广泛承受,成为水相组成高质量量子点的有用手段[27]。He等[28]提出了程序升温微波辐射水相组成量子点的概念。他们经进程序升温微波辐射的办法在水相中组成了3-巯基丙酸(MPA)安稳的CdTe量子点,与直接微波辐射组成的CdTe量子点比较,量子产率进步了25%以上(可达68.5%),半峰宽减小2~3nm。徐昕等[29]以巯基乙酸为安稳剂,用微波辅佐法快速组成了水溶性CdTe/CdSe核壳量子点。

 

1.5 微乳液法

 

微乳液是由两种不互溶的液体构成的热力学安稳的、各向同性的、外观通明或半通明的分散系统,微观上由外表活性剂界面膜所安稳的一种或两种液体的微滴所构成。微乳液现已被广泛运用于各类反响,尤其是成为制备纳米资料的一种重要的办法。Petit等[30]在琥珀酸二异辛酯磺酸钠微乳液中组成了CdS量子点,与水溶液及Triton微乳液中制备的CdS量子点比较,该办法组成的CdS量子点粒径小而均一。Quinlan等[31]选用相同的微乳液组成出粒径较小的ZnS量子点。此外,运用油包水型微乳液(W/O)作为微反响器,还组成了TiO2量子点[32]。苏红娟等[33]用油包水型微乳液操控组成了Zn1-xCdxS量子点;李俊林等[34]运用微乳液法组成了纳米银量子点。

 

除了上述量子点组成办法以外,光辅佐组成法、超声辅佐组成法以及生物仿生组成法等量子点的组成办法也越来越引起人们的重视,使得量子点资料的组成技能成为资料化学研讨的前沿和热门。

 

2 量子点的外表润饰

 

聚合物/量子点太阳电池的功用在很大程度上取决于聚合物与量子点资料之间的电荷别离功率。量子点在组成进程中存在的有机配体不利于量子点与聚合物之间的能量转移(或电荷别离)。为了进步器材功用,需要对量子点进行外表润饰。但是,需要注意的是在进行外表润饰时要防止量子点的聚会,这是由于量子点在外表润饰后会发生外表配体的改变,因而有或许导致粒径小、外表能高的量子点发生聚会。因而,对外表配体及外表润饰办法的挑选显得尤为重要。现在常见的量子点外表润饰办法包含以下几种。

 

2.1 偶联剂法

 

偶联剂一般含有一起能与无机物和有机物发生反响的功用基团,运用偶联剂对量子点进行处理,可使量子点与有机物具有很好的相容性。运用双功用有机分子替代量子点外表的有机配体,能够对量子点进行有用的润饰[35]。Chan等[36]将巯基乙酸参加到外表连有TOPO的CdSe/ZnS量子点的氯仿溶液中,对CdSe/ZnS量子点进行外表润饰,发现量子点的溶解性和光化学安稳性显着进步。Qian等[37]以谷胱甘肽作为安稳剂润饰CdTe量子点,取得了较高的荧光量子产率。马正先等[38]以钛酸酯偶联剂为润饰剂对ZnO量子点进行了外表润饰。Badre等[39]用硅烷偶联剂对电化学堆积的ZnO量子点进行了外表润饰。Alivisatos等[40]运用3-巯丙基三甲氧基硅烷对核/壳结构的CdSe/ZnS量子点外表进行功用化润饰。

 

2.2 配位基交流法

 

配位基交流法是对量子点进行外表改性最简略有用的办法,经过挑选短链的、导电性好的配体与量子点外表长链的配体发生交流反响,以进步其量子点与聚合物的电荷转移才干。L-半胖氨酸是一种较常用的配体,Bawendi等[41]运用半胱氨酸对CdSe量子点进行外表润饰,研讨发现半胱氨酸润饰的量子点寄存周期十分短,在室温下24h后就会发生显着的团簇现象。吡啶是现在运用较多且效果较好的一种配体,广泛运用于配位基交流法中。将所组成的量子点用甲醇洗刷几回后,在惰性气体氛围下的纯吡啶溶剂中进行回流,回流温度高于吡啶的沸点(115 ℃)。接着,将量子点用己烷堆积下来。除吡啶外,其他短链的配体如氯化物[42]、氨基[43]及硫醇[44]等也常用于量子点的配位基交流法中。Aldakov等[45]用核磁共振、光谱法及电化学法系统地调查了不同小分子配体润饰后的CdSe量子点的外表性质。Olson等[43]运用丁胺对CdSe量子点进行外表润饰,并与聚3-己基噻吩(P3HT)制作复合膜,发现润饰剂的品种对CdSe/P3HT复合膜的描摹有显着影响,挑选丁铵作为润饰剂所构成的复合膜的微结构相别离程度较小。Kitada[46]报导了选用乙二胺对PbSe量子点进行外表润饰。笔者也用4-叔丁基吡啶作为润饰剂对外表含有4-溴苯硫酚的CuInS2量子点进行了处理,发现润饰后CuInS2量子点外表的4-溴苯硫酚基团显着削减[25]。

 

2.3 化学反响法

 

Zhou等[47]建立了一种非配位基交流的“洗刷”办法,并用此法对CdSe量子点进行外表润饰。该办法是根据化学反响的根本原理,经过己酸的效果与十六烷基胺发生反响,使CdSe量子点外表的十六烷基胺配体大大地削减。而己酸与十六烷基胺所生成的有机盐更易溶解在上层清液中,因而,易于直接经过离心法去除。运用该法润饰的量子点在有机溶剂中具有优秀的溶解性。

 

3 在聚合物太阳电池中的运用

 

量子点与共轭聚合物组成的量子点/聚合物太阳电池由于兼具有机及无机资料的长处,是一种很有开展潜力的贱价太阳电池。现在,太阳电池首要是共混型结构,但是该类器材的功率较低,其间的一个重要原因便是量子点外表存在的有机配体不利于量子点与聚合物之间的能量转移。近年,针对量子点/聚合物太阳电池中器材功率较低这一问题,人们在无机半导体量子点外表润饰方面做了许多的研讨,以进步有机/无机资料的相容性及两者间的电荷转移才干。

 

现在,在量子点/聚合物太阳电池器材中,运用最多的量子点外表润饰办法是配位基交流法,一般挑选导电性更好的短链配体如吡啶、氯化物、氨基及硫醇等替代量子点外表的配体,能够显着进步器材功用。Heinemann等[48]运用吡啶处理了CdSe量子点外表配体,选用吡啶/氯苯的混合溶剂,与P3HT制作了太阳电池器材,功率为0.65%。Han等[49]运用吡啶对3~5nm的闪锌矿型CdSe量子点进行外表润饰,挑选聚[2-甲氧基-5-(2-乙基己氧基)]对苯乙炔(MEH-PPV)作为电子供体,蒸镀Ba/Al混合电极,制作了太阳电池器材,取得了0.85%的功率,较未处理前的量子点制作的器材功率进步了3倍。此外,用P3HT替代MEH-PPV,可使器材功率进一步进步至1.08%。Lokteva等[50]详细研讨了用吡啶对CdSe量子点外表的油酸分子进行单次或屡次配位基交流的影响,NMR标明经吡啶单次处理后,量子点外表仍有少量的油酸分子。经热重剖析(TGA)的表征能够发现分别经单次、二次、三次配位基交流处理后,外表油酸分子的覆盖率逐步减小。而根据吡啶处理的CdSe量子点和P3HT制作的太阳电池器材功率与吡啶处理的次数具有必定的相关性。起初,跟着处理次数的添加,CdSe与聚合物间电荷转移才干进步,使得器材功用逐步进步,但是,跟着CdSe处理次数的进一步添加,将导致器材功用下降,或许由于大部分的外表配体被去除后,量子点更易于聚会,反而不利于器材功用。Ol-son等[43]运用了不同的配体如吡啶、丁胺、三丁胺、油酸及硬脂酸对CdSe量子点外表含有三辛基的配体进行配位基交流,发现经丁胺处理的CdSe量子点制作的CdSe/P3HT复合膜的微结构相别离程度较小,所制作的CdSe/P3HT器材发生了较高的电流,并取得了1.77%的功率。Aldakov等[45]用不同小分子配体润饰CdSe量子点并制作了聚合物太阳电池器材,但太阳电池的功率并不高。Kitada等[46]报导了选用乙二胺处理PbSe量子点阻挡层后可使四苯卟啉/PbSe量子点太阳电池的功率显着进步。Shao等[51]运用对甲氧基苯甲酸对ZnO外表进行润饰,制作MEH-PPV/ZnO太阳电池,使电池的功率由润饰前的1.09%进步到了1.52%。Geng等[52]用月桂酸对TiO2的外表进行润饰,制作MEH-PPV/TiO2太阳电池,发现经外表润饰后的无机半导体能够大起伏进步电池的短路电流和开路电压。笔者运用4-叔丁基吡啶作为润饰剂对CuInS2量子点进行了处理,发现润饰后的量子点与MEH-PPV制作的电池功用显着进步[25]。 此外,周云飞等[47]选用根据化学反响的非配位基交流法,运用己酸对外表含有氨基的CdSe量子点进行润饰,并制作了CdSe/P3HT器材,取得了2%的功率。

 

4 结语

 

量子点由于具有杰出的性质,在太阳电池中开展较快。尤其是聚合物/量子点太阳电池因兼有无机和有机资料的长处,且容易经过溶液法大面积成膜,是很有开展潜力的一种贱价太阳电池。但是,现在该类电池的功率并不高,并未完成规模化出产,因而对它的研讨仍处于开展阶段;针对根据聚合物/量子点太阳电池的资料组成及器材制备,仍有许多尚待处理的问题。在资料组成方面,常见的量子点的组成办法所组成的量子点产值很小,很难满意日后电池器材制作的资料需求,怎么建立宏量的量子点的组成技能是保证日后电池大规模推广运用的要害之一。在量子点外表润饰方面,挑选适宜的润饰剂及外表润饰办法对量子点进行有用的外表润饰,以进步有机/无机资料的相容性及电荷转移才干,是聚合物/量子点太阳电池器材功率的要害。如果在资料的组成办法和电池制作的工艺技能方面能够取得重大突破性开展,笔者认为,根据量子点的聚合物太阳电池的研讨将会步入一个新的层次。

 

摘要：量子点因具有特别的量子尺度效应而得到广泛运用,尤其是在聚合物太阳电池中的运用具有共同的优势。列举了量子点常见的组成办法,如有机相组成法、水相组成法、水热法和溶剂热法、微波辅佐水热法、微乳液法等;介绍了常见的量子点外表润饰办法,如偶联剂法、配位基交流法及化学反响法等;最终,介绍了外表润饰后的量子点在聚合物太阳电池中的运用,并针对器材功率较低这一问题评论了进步聚合物/量子点太阳电池功率的办法。

 

量子电池 篇6

绿色无毒的Bi2S3纳米资料是抱负的候选量子点资料。Bi2S3 (带隙宽度1.3ev) 具有很高的吸收系数 (约为105cm-1) , 可规划为增感剂的资料。Bi2S3/TiO2异质现已报告了可见光诱导的析氢和有机污染物的光催化降解。Bi2S3也被用作光敏化剂的纳米颗粒的频带边缘调谐。不过, 运用的Bi2S3量子点敏化TiO2太阳能电池的报导很少。

 

本研讨经过一个简略的化学浴堆积法 (CBD) 技能, 将无毒Bi2S3的量子点制备在了纳米多孔TiO2薄膜上, 制备了以薄膜为根底的光电极太阳能电池, 并研讨了光电流和光电转化功率。

 

1 试验和表征

 

1.1 量子点电极和太阳能电池的制作

 

经过外延法制备纳米多孔TiO2电极。具体办法为, 在衬底上覆盖2个平行的粘结带 (10μm厚) , 以操控膜的厚度。TiO2胶体溶液涂在FTO玻璃基板 ( (F:SnO2, ~8Ω/cm2) 。在空气中干燥后, 将薄膜进行退火, 在450℃保持30min。Bi2S3量子点经过CBD法堆积在TiO2堆积上, 过程为:TiO2基底浸渍在含有0.06mol的硝酸铋和0.06mol乙二胺四乙酸 (EDTA) 1min。立即用去离子水洗刷, 然后将其浸入硫代乙酰胺溶液1min (pH值经过参加氨水调理至11) , 用去离子水洗刷。2个过程构成一个CBD周期, 经过3个周期, 所述基板的色彩变成黄色, 跟着CBD的循环然后深褐色。

 

1.2 电极的表征

 

透射电子显微镜 (TEM, FEI Tecnai G20) , 装备X射线光谱仪 (EDS) 来表征所得资料。用岛津UV-2550分光光度计记载漫反射吸收光谱。光电极被夹在填充有电解质组成的1M Na2S水溶液的Pt电极中来拼装典型QDSCs。分别在AM1.5G (新港, USA) 条件下和电化学作业站 (modelAUT84315, 荷兰) 研讨光电流-光电压 (I-V) 曲线, 开路电压和电流随时刻的改变特性。

 

2 结果与评论

 

2.1 描摹表征及吸光性

 

图1 (a) 示出了经历了5个CBD周期后取得的典型TEM图。我们能清楚地看见黑色的硫化铋纳米晶体, 直径约4nm, 能够附着在直径为约20nm TiO2纳米颗粒上。在相应的EDX图中, 图1 (b) 除了调查Ti和O, 还调查了铋和S元素。定量能谱剖析标明, Bi的原子比:S是42∶58, 接近2∶3, 阐明发生了Bi2S3纳米晶体。铜元从来源于铜网剖析。

 

图2示出了不同CBD周期的Bi2S3/TiO2电极的紫外可见光吸收光谱。CBD的周期标记为n, n=0, 3, 5, 7。裸露的TiO2电极吸收低于410nm波长的光, 而Bi2S3/TiO2电极, 光吸收规模延伸到可见光区域, 光谱的吸收率跟着CBD周期而添加, 一起阐明Bi2S3量子点在添加, 与先前报导的相同。

 

2.2 光电转化功率

 

Bi2S3敏化太阳能电池的I-V特性如图3所示, 相应的参数如表1。结果标明, 短路电流 (Jsc) 跟着CBD周期从0到5而逐步添加, 然后在第7个7CBD周期下降。开路电压 (Voc) 跟着CBD的周期在小规模内改变。关于根据裸TiO2电极的太阳能电池, 短路电流十分低, 只要0.065mA cm-2, 由于TiO2只吸收紫外线。Bi2S3量子点堆积在TiO23个周期后, 短路电流显着增大到0.218mA cm-2, 这比单纯TiO2电极多4倍以上。第5个CBD周期得到短路电流光及电转化功率最高, 分别为0.845mAcm-2和0.065%。持续添加CBD周期, 则短路电流光及电转化功率均快速下降, 这是由于添加堆积循环次数能够添加的Bi2S3量子点堆积的数量, 可是一起添加电子空穴复合率, 导致了光电化学功用的下降。

 

2.3 电子-空穴对复合状况研讨

 

经过监测电池的电位呼应开关光照周期, 光电化学行为在图4 (a) 中进一步评价, 开路电压为315±15mV时, 或许调查到在可见光激发的3种状况。开路电压衰减时关灯, 这一般用于研讨电极资料的复合动力学。它代表了整个半导体界面的电荷重组或在半导体界面电荷转移到氧化复原对注射, 而且能够经过电子寿数τn描述, 其间, n对应于周期时刻。τn由腐朽的开路电位如下等式来确定[4]。

 

式中:kB为玻尔兹曼常数;T是热温度;e是正根本电荷。

 

图4 (b) 是电子寿数为开路电压, 经过公式 (1) 与图4中的数据而取得的函数的曲线图。CBD的周期添加, 电子寿数下降, 表现出更严重的复合特性。这也或许说更多的周期意味着更大的量子点堆积在TiO2电极上, 然后导致更多的重组或许性。

 

一般状况下, 光电流与许多要素有关, 如光照射的电子空穴对, 复合特性等。5个CBD周期得到较高的光吸收率以及较低的电子-空穴对复合率, 然后表现出最高的光电流和功率转化功率。

 

3 定论

 

(1) 化学浴堆积的无毒纳米多孔TiO2膜的Bi2S3量子点被用于量子敏化太阳能电池。跟着堆积次数的添加, 对光的吸收率不断添加, 有利于进步光电转化功率。

 

(2) 经过详细研讨电子-空穴对的复合状况, 发现电子寿数跟着化学堆积次数的添加而下降, 然后导致光电转化功率下降。

 

(3) 化学浴堆积的无毒纳米多孔TiO2膜的Bi2S3量子点被用于量子敏化太阳能电池。在5CBD周期中1个太阳照射下, 电极具有最高的短路电流密度为0.845mAcm-2和功率转化功率0.065%。