[发明专利]一种稀土硫化物量子点太阳能电池的制备及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种硫化物量子点太阳能电池的制备，尤其涉及一种稀土硫化物量子点太阳能电池的制备及其应用。 

背景技术

太阳能作为一种干净、无污染的清洁能源分布广泛、总量巨大而被人们所利用，将太阳能转化为电能已成为能源利用的大势所趋，太阳能正在逐步替代传统化石能源，太阳能电池装置昂贵，光电转换效率低成为利用太阳能的最大障碍，设计出成本低廉且高光电转换效率的太阳能电池为目前的主要工作，量子点作为准零维（quasi-zero-dimensional）无机半导体材料被用作太阳能电池中的吸光部分。其三个维度尺寸均小于体材料激子的德布罗意波长，量子限域效应显著。量子点具有以下优点：具有高荧光量子产率；尺寸易通过改变反应条件控制；吸光范围可通过调节量子点尺寸实现；化学性质稳定，合成过程简单成本低；具有高消光系统和本征偶极矩，吸光层可以制备的很薄以降低成本；量子点相较于体半导体材料易调控能级使得电子给体和受体之间能级匹配，大幅提高太阳能光电转换效率。稀土硫化物量子点兼顾了量子点所有的优点，同时又将稀土元素丰富的能级赋予量子点之中，使得稀土硫化物量子点（MS QDs）作为太阳能电池的吸光材料而具有非常宽的吸收峰，从而进一步提高量子点太阳能电池光电转换效率。 

      在太阳能电池中，p型半导体作为吸光材料对提高电池效率起着决定性的作用。合成高量子产率，宽荧光发射峰和良好稳定性的稀土硫化物量子点纳米半导体材料是制备高效率低成本太阳能电池的关键技术，本发明采用溶剂热法和水热法的特点，成功了合成稀土硫化物量子点，通过改变反应温度、反应时间来调节量子点粒径，通过控制水热时间、水热温度调节量子点晶型使太阳能电池p型半导体和n型半导体能级匹配，提高太阳能电池光电转换效率，不仅克服了传统半导体材料能级难以调控无法适用于太阳能电池的缺点，同时也解决了量子点晶型不稳定重现性差的问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土硫化物量子点太阳能电池的制备及其应用，稀土硫化物量子点太阳能电池具有高光电转换效率、低成本和易组装等特点。 

本发明稀土硫化物量子点太阳电池制备是这样来实现的，其特征是方法步骤如下： 

   （1）以三次蒸馏水为溶剂配一定浓度的稀土硝酸化合物（MNO₃）作为稀土源，以三次蒸馏水为溶剂配一定浓度的硫化钠（Na₂S）作为硫源，以还原谷胱甘肽（GSH）作为稳定剂，氢氧化钠（NaOH）溶液调节pH，N₂氛围下反应，乙醇诱使稀土硫化物量子点（MS QDs）沉淀，离心分离提纯；

   （2）硫前躯体以一定比例加入稀土溶液前驱体中反应得到稀土硫化物量子点，此时的量子点含有未反应完全的杂质，加入过量的乙醇，量子点不溶于乙醇会沉淀下来，而杂质会溶于乙醇采用离心方法可将量子点提纯；

（3）以多孔n型半导体TiO₂纳米材料为光阳极，将提纯后的量子点和TiO₂组装成电池；当太阳光照射光阳极时，附着在TiO₂上的量子点的电子、空穴对发生分离，电子从价带跃迁至导带并注入TiO₂的导带中经由FTO导电玻璃连接负载传递给铂金背电极，最后通过空穴传输层PESOT:PSS和电子复合形成电子-空穴对完成一个循环。

本发明稀土硫化物的制备及太阳能电池的组装，其特征是可通过如下步骤实现： 

（1）以原料配比为1：1的Na₂S溶液和稀土前驱体溶液分别加入恒压滴液漏斗和三颈烧瓶中，氮气氛围室温条件下搅拌形成前驱体。升温至100℃，将Na₂S溶液加入稀土前驱体溶液中回流反应1h。氮气氛围下是为了避免有氧气存在而使得原料被氧化，反应之前搅拌可使得稀土硫化物充分溶解在水中。

（2）所制备的稀土硫化物量子点溶于水但不溶于乙醇因而可以通过过量的乙醇诱使量子点沉淀，15000rpm高速离心分离。分离后的量子点重新分散到水中得到稀土硫化物量子点溶液。