專利名稱：一種雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)在太陽能電池中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)的制備及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體來講，涉及一種雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)在太陽能電池中應(yīng)用。
背景技術(shù)：
環(huán)境和能源問題無疑是當(dāng)前全球面臨的兩大問題，引起了科學(xué)界廣泛而深刻的關(guān)注。太陽能是未來最有希望的能源之一，是一種取之不盡、用之不竭的無污染潔凈能源。將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能和熱能造福于人類一直是科學(xué)家的追求目標(biāo)。因而自從1954年第一塊單晶硅太陽能電池問世以來，人們就對(duì)利用半導(dǎo)體太陽能電池解決將來由于礦物燃料枯竭而引起的能源危機(jī)寄予了很大希望。目前，各種類型的太陽能電池已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在民用以及軍工項(xiàng)目中。然而，由于現(xiàn)有的太陽能電池制造工藝上存在原料成本高、工藝復(fù)雜或者轉(zhuǎn)換效率低等問題，限制了太陽能電池更好的應(yīng)用，使得這個(gè)領(lǐng)域的研究具有很大的潛在價(jià)值。目前，硅基太陽能電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以外，太陽能電池還主要分為無機(jī)太陽能電池、染料敏化太陽能電池和有機(jī)薄膜太陽能電池三大類。硅太陽能電池存在諸如光電轉(zhuǎn)換理論效率相對(duì)較低和成本較高的問題。GaAs、CdTe, Cu (In, Ga) Se2等無機(jī)太陽能電池雖然降低了生產(chǎn)成本和材料成本，但是In，Ga等材料儲(chǔ)量稀少以及Cd離子等重金屬原子的自身毒性限制了此類太陽能在民用領(lǐng)域的應(yīng)用。有機(jī)聚合物薄膜太陽能電池以聚合物代替無機(jī)材料是太陽能電池研究的一個(gè)新的方向。有機(jī)太陽能電池由于其材料來源廣泛、制作容易、成本低、柔性好等優(yōu)勢(shì)，對(duì)太陽能電池的推廣具有重要意義。但有機(jī)太陽能電池的研究才剛剛開始，電池的效率和穩(wěn)定性都太低，無法和其他太陽能電池相比，要發(fā)展實(shí)用化，還需要進(jìn)一步的研究。染料敏化太陽能電池(DSSC)，是近年來新開發(fā)的一種低成本且高光電轉(zhuǎn)換效率的太陽能電池。相對(duì)于結(jié)晶硅太陽能電池，染料敏化太陽能電池的最大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于制備簡(jiǎn)單、原料便宜、污染性低、不需要大型無塵設(shè)備。但是，染料容易發(fā)生光解，敏化劑吸收光譜的范圍比較窄等問題限制了染料敏化太陽能電池的發(fā)展。因此，尋找一種新型的光敏化材料代替染料，已經(jīng)成為近來太陽能電池的一個(gè)研究熱點(diǎn)。量子點(diǎn)材料同傳統(tǒng)染料相比，具有價(jià)格低廉、吸收范圍寬廣和光穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其很有希望在染料敏化太陽能電池中代替染料作光敏劑。碳量子點(diǎn)是碳納米材料家族中的新成員，具有吸收光譜寬、抗光漂白性能好、無毒性、易于功能化、能夠高產(chǎn)率制備等特性，有望在光電子器件等技術(shù)領(lǐng)域顯示其廣闊的應(yīng)用前景[Angew.Chem.1nt.Ed, 2010，49，6726-6244; Chem.Comm.2012，48.3686-3705 ；]。目前的研究表明，碳量子點(diǎn)在太陽能電池中的應(yīng)用研究還剛剛開始，比如北京科技大學(xué)研究組將發(fā)綠色熒光的碳量子點(diǎn)用作新的電子受體材料構(gòu)筑了有機(jī)太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率為1.28%[Adv.Mater.2011，23，776 - 780];加拿大多倫多大學(xué)的研究人員將碳量子點(diǎn)用作光敏劑構(gòu)建量子點(diǎn)敏化的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率僅為0.13% ;美國(guó)印第安娜大學(xué)的研究人員也作了類似的工作，但是其光電轉(zhuǎn)化效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實(shí)際應(yīng)用的需要[NanoLett.2010, 10，1869 - 1873]。因此，尚需開展大量的研究工作以促進(jìn)基于碳量子點(diǎn)的高性能太陽能電池的研制。雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)可以有效地調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的特性包括電子性能和表面化學(xué)性質(zhì)[Energy Environ.Sc1., 2012, 5, 8869 - 8890]。因此,探索開發(fā)基于雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)的太陽能電池等光電器件有望突破碳量子點(diǎn)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率低的瓶頸，對(duì)解決能源危機(jī)具有及其重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個(gè)技術(shù)問題是提供一種雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)作為新型電子受體/給體材料在構(gòu)建有機(jī)聚合物太陽能電池中的應(yīng)用。本發(fā)明要解決的第二個(gè)技術(shù)問題是提供一種雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)作為新型光敏劑在構(gòu)建量子點(diǎn)敏化太陽能電池中的應(yīng)用。本發(fā)明所述一種雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)，其制備方法包括如下步驟:I)向共軛聚合物中加入0.01 1000倍共軛聚合物質(zhì)量、O IM的酸或堿的水溶液，混合均勻，得到反應(yīng)液；2)將反應(yīng)液加熱到100°C 500°C，反應(yīng)I 48小時(shí)；3)反應(yīng)完后自然冷卻，收集反應(yīng)液，分離提純，得到雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)。優(yōu)選地，所述共軛聚合物選自具有以下結(jié)構(gòu)式的共軛聚合物中的一種或多種:
權(quán)利要求
1.一種雜原子摻雜的多功能碳量子點(diǎn)作為新型電子受/給體材料在構(gòu)建有機(jī)聚合物太陽能電池中的應(yīng)用，
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)用，其特征在于，包括如下步驟:將導(dǎo)電聚合物聚乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸鹽按照重量比1:5 50混合后，旋涂在氧化銦錫透明玻璃上作為空穴傳輸輔助層；將有機(jī)聚合物和雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)按照重量比2 50:1溶解在氯苯溶液中旋涂到空穴傳輸輔助層上用作有源層，用真空蒸鍍機(jī)蒸鍍上Al電極，140°C退火10分鐘后，制成了雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)作為新型電子受體材料構(gòu)建的有機(jī)聚合物太陽能電池。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的應(yīng)用，其特征在于:所述有機(jī)聚合物包括3-己基噻吩、3-己基噻吩衍生物、聚對(duì)苯亞乙烯、聚對(duì)苯亞乙烯衍生物、聚乙炔、聚乙炔衍生物、聚[2，3-雙-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5，8-二基-交替-噻吩-2，5-二基]、聚[2，3-雙-(3-辛烷氧基苯基)喹喔啉-5，8- 二基-交替-噻吩-2，5- 二基]衍生物或富勒烯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用，其特征在于:優(yōu)選地，所述富勒烯包括C6tlPCBMX6tlPCBM衍生物、C70PCBM, C70PCBM衍生物。
5.一種雜原子摻雜的多功能碳量子點(diǎn)作為新型敏化劑在構(gòu)建量子點(diǎn)敏化太陽能電池中的應(yīng)用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用，其特征在于，包括如下步驟:將二氧化鈦或氧化鋅、聚乙二醇20000和水按照重量比25:10:65的比例混合制成白色均勻粘稠的漿料，旋涂到表面清潔的FTO導(dǎo)電玻璃上，升溫到> 500°C除去薄膜內(nèi)部的有機(jī)物；將前述加熱除去有機(jī)物的導(dǎo)電玻璃作為電極浸入2 200mg/mL雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)水溶液中，在室溫避光條件下浸泡> 48小時(shí)，然后取出與熱蒸發(fā)制備得到的鉬電極組裝成電池；在電池中滴加電解液完成整個(gè)電池，構(gòu)成碳量子點(diǎn)敏化太陽能電池。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的應(yīng)用，其特征在于:所述的二氧化鈦或氧化鋅為納米粒子、納米球、納米空心球、納米棒、納米線、納米管、納米線或納米管陣列。
全文摘要
本發(fā)明描述了關(guān)于雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)在太陽能電池中的應(yīng)用。所述的碳量子點(diǎn)含有N、S、Si、Se、P、As、Ge、Gd、B、Sb、Te等雜原子中的一種或幾種，其吸收光譜波長(zhǎng)在300~850nm范圍內(nèi)。研究中發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這些雜原子摻雜的碳量子點(diǎn)在有機(jī)太陽能電池和量子點(diǎn)敏化太陽能電池中具有高效的光電轉(zhuǎn)換性能，在能源領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H01G9/20GK103107287SQ20131005366
公開日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2013年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月19日
發(fā)明者葛介超, 汪鵬飛, 藍(lán)敏煥, 王鷹, 劉衛(wèi)敏 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所