[发明专利]一种量子点染料共敏化太阳能电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells），且特别是涉及一种采用量子点与染料共敏化的p-n型敏化太阳能电池。 

背景技术

与传统硅电池相比，染料敏化太阳能电池(DSSCs)制作工艺简单，成本低，且可以制成半透明和柔性器件，具有广阔的应用前景；1991年，瑞士科学家Gr?tzel等人首次利用纳米技术将染料敏化太阳能电池的转化效率提高到7%，从此，染料敏化太阳能电池得以快速发展；传统染料敏化太阳能电池包括光阳极、对电极和电解液。染料吸收光后，将光生电子注入n型半导体（TiO₂，ZnO）,电子通过外电路回到对电极将电解质还原，还原后的电解质扩散到光阳极将电子注入到染料完成一个循环；传统染料敏化太阳能电池采用n型半导体，由吸附在光阳极上的染料吸收光，对电极只起到催化电解质还原反应作用，经过不断发展，染料敏化太阳能电池已经在实验室达到12%的光电转化效率，由于染料的量子效率已经近于极限，传统结构电池的效率提高遇到了瓶颈；然而染料只能吸收波长小于800nm的可见光部分，占太阳光能量40%以上的红外光却无法利用，相反，量子点由于具有可调控带隙，多重激发等优势，在吸收光谱上有着更大的灵活性与可控性，将量子点与染料结合使用有可能实现全光谱吸收，从而提高电池的光电转化效率；中国专利 CN 102157270A公开了一种量子点染料敏化太阳电池，将染料和量子点共同敏化于光阳极，来提高对入射光的吸收；（Shalom, M et al. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 1134-1138），将量子点引入到染料敏化太阳能电池光阳极，虽然有可能扩展吸收光谱，但由于量子点的存在影响了染料光生电子注入二氧化钛的速率，很难真正实现二者的协同作用。 

发明内容

针对背景技术中的量子点与染料共敏化所存在的问题，本发明提出一种不同于以往共敏化电池的叠层敏化太阳能电池，将染料和量子点分别敏化于光阳极和光阴极从而实现可见光和红外光在两个电极分别被吸收；此种敏化太阳能电池包括光阳极、光阴极和介于二者之间的电解液，其中光阳极由n型半导体TiO₂与吸附在其表面的染料分子构成；光阴极由p型量子点构成；光阳极TiO₂采用粒径为20nm到25nm的P25或者20nm到25nm的锐钛矿二氧化钛；染料使用N3金属配合物染料、N719金属配合物染料、D2卟啉类染料或YD2-o-C8卟啉类染料；光阴极p型量子点使用p型半导体或可通过表面处理而表现出p型半导体性质的半导体材料，例如PbS、Cu₂S或CdS；电解液由Na₂S、单质S和氢氧化钠溶于去离子水制得，此种共敏化太阳能电池的工作原理如下： 

由吸附于光阳极二氧化钛表面的染料分子吸收入射到电池的可见光部分，光生电子注入到二氧化钛导带，并通过外电路回到电池的光阴极；光阴极上量子点吸收近红外、红外光后，光生电子将电解质中氧化成分还原，而量子点的空穴由电极上电子补充；电解质中被还原成分回到光阳极将电子注入染料的HOMO能级，完成一个循环。

本发明通过下述技术方案予以实现： 

一、          光阳极的制备

将TiO₂纳米颗粒与乙基纤维素混合，其中TiO₂纳米颗粒的质量分数为50%-80%，在混合物中加入曲拉通和乙醇，其中每1g混合物中加入0.5-3mL曲拉通，每1g混合物中加入3-10mL乙醇；通过搅拌和超声使混合物充分混合均匀制成TiO₂浆料；使用玻璃棒将TiO₂浆料涂覆于导电玻璃上，然后450~550^oC煅烧，制得TiO₂纳米颗粒薄膜；膜厚控制在15~20微米，将此薄膜浸泡在0.5mM染料溶液中10~24小时;染料使用N3、N719、D2和YD2-o-C8中的一种。

二、          光阴极的制备 

使用化学溶液法制备半导体量子点，量子点尺寸在3~8nm；量子点为p型半导体PbS、Cu₂S和CdS中的一种；将量子点配成浓度为0.1~5mg/mL的溶液，溶剂采用甲苯、乙醇或者水；将量子点溶液均匀旋涂于导电玻璃表面，旋涂速度为500~8000转/分；多次旋涂，控制量子点层厚度为500nm到5μm；将制备好的量子点层在450~550^oC煅烧半小时。