本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池領(lǐng)域，具體是一種POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法。

背景技術(shù)：

太陽(yáng)能具有取用不盡、綠色清潔的特點(diǎn)，是解決人類面臨的能源和環(huán)境問(wèn)題的理想的新型綠色能源。在太陽(yáng)能利用中，太陽(yáng)能電池以其安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、能量隨處可得等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池是第三代新型太陽(yáng)能電池，以其理論轉(zhuǎn)換效率高達(dá)66％而被稱為最具研究潛力的太陽(yáng)能電池，同時(shí)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池具有獨(dú)特的多重激子效應(yīng)、廉價(jià)以及制作工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。其中量子點(diǎn)作為光捕獲劑，有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，量子點(diǎn)的顆粒尺寸可以通過(guò)改變合成條件控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收光譜范圍的調(diào)控；量子點(diǎn)有較大的消光系數(shù)，能吸收大量的光子；量子點(diǎn)存在多重激子效應(yīng)，可以提高太陽(yáng)能電池的光電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

目前，量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，因此制備高轉(zhuǎn)換效率和高穩(wěn)定性的量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池成為研究人員的共同目標(biāo)。優(yōu)化量子點(diǎn)材料的類型和尺寸、電極電導(dǎo)性的選擇、對(duì)電極材料和電解液的表面處理，都是提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的可行方法。

POSS是多面體低聚倍半硅氧烷的簡(jiǎn)稱，它是一種包含有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化結(jié)構(gòu)的納米材料，無(wú)機(jī)框架為由Si-O-Si鍵組成的籠狀結(jié)構(gòu)，Si上可帶有多種功能化的有機(jī)取代基團(tuán)。POSS中的有機(jī)基團(tuán)可以作為進(jìn)一步功能化的活性位點(diǎn)，而剛性的Si-O-Si籠狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了POSS的熱穩(wěn)定性、熱機(jī)械性，加之POSS的抗氧化和抗腐蝕性等優(yōu)良性質(zhì)，POSS已被用于生物、醫(yī)學(xué)、光電器件等多個(gè)領(lǐng)域(M.Liras,J.Mater.Chem.,2011,21,12803-12811.)。目前，POSS作為一種高性能的表面修飾劑，在提高石墨烯納米片、Au(POSS-Au復(fù)合納米顆粒)和Pd納米 顆粒的穩(wěn)定性上已有所應(yīng)用，但作為量子點(diǎn)表面修飾劑的研究目前還比較少。王忠勝等(Z.S.Wang,Chem.COAmun.,2014,50,1685-1687.)將修飾八個(gè)咪唑碘鹽基團(tuán)的POSS(POSS-8EsPImI)用作固態(tài)染料敏化太陽(yáng)能電池中的固態(tài)電解質(zhì)，由于POSS中的Si-O鍵作用，POSS-8EsPImI在TiO₂表面有很好的潤(rùn)濕性，因此可在TiO₂表面實(shí)現(xiàn)良好的附著和填充，從而有效提高了該電池的轉(zhuǎn)換效率(7.11％)，該電池在一倍太陽(yáng)光強(qiáng)的長(zhǎng)期照射下還具有很好的穩(wěn)定性。目前還沒(méi)有其作為太陽(yáng)能電池光敏化劑方面的文獻(xiàn)報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法。該方法是將POSS修飾到CdTe量子點(diǎn)表面，利用POSS修飾后的CdTe量子點(diǎn)作為光敏化劑組裝成量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。該方法能夠改變CdTe量子點(diǎn)的光電特性，減少量子點(diǎn)表面的缺陷，增加量子點(diǎn)的穩(wěn)定性，使得電子更有效地注入到TiO₂中，進(jìn)而提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

本發(fā)明解決所述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，提供一種POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)CdTe量子點(diǎn)的制備：采用水相法冷凝回流制備CdTe量子點(diǎn)粉末；

(2)POSS修飾CdTe量子點(diǎn)：將步驟1)得到CdTe量子點(diǎn)粉末配置成CdTe量子點(diǎn)溶液，將偶聯(lián)劑EDC加入到CdTe量子點(diǎn)溶液中攪拌30-60min，其中摩爾比CdTe：EDC＝1:50-1000；然后加入OA-POSS溶液后室溫?cái)嚢?-6h，其中CdTe與OA-POSS的摩爾比為1:10-1000；提純后，得到OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末；

(3)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組裝：將步驟2)得到的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末配置成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液并調(diào)整pH值至9-11；然后加入TGA，TGA與OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液的體積比為1:100-500；將二氧化鈦光陽(yáng)極浸泡在OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液中12-36小時(shí)；然后與對(duì)電極CuS組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并二氧化鈦光陽(yáng)極與對(duì)電極CuS之間注入硫離 子電解液，形成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。

步驟1)中所述水相法冷凝回流制備CdTe量子點(diǎn)粉末的具體方法是：將NAC溶解于水中，室溫下攪拌至混合均勻；然后加入CdCl₂溶液，得到含Cd²⁺的前驅(qū)體溶液；攪拌后加入過(guò)量KBH₄，然后加入Na₂TeO₃水溶液，室溫下攪拌至透明均一的溶液；然后調(diào)整溶液的pH值為9-11.5；再在90-100℃的條件下加熱，制備得到不同粒徑的CdTe量子點(diǎn)，其中摩爾比NAC/Cd²⁺/Te^2-＝1.2:1:0.2；提純后，得到CdTe量子點(diǎn)粉末。

所述提純方法是：將CdTe量子點(diǎn)由乙醇沉淀后，在離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心提純，然后放在干燥箱內(nèi)40℃-80℃干燥1-48h。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于：

(1)本方法是一種簡(jiǎn)單可行的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法，解決量子點(diǎn)穩(wěn)定性差和光陽(yáng)極與量子點(diǎn)界面間電子空穴復(fù)合嚴(yán)重的問(wèn)題。在CdTe量子點(diǎn)表面修飾OA-POSS，能夠改變CdTe量子點(diǎn)的光電特性，有效鈍化量子點(diǎn)，減少量子點(diǎn)表面的缺陷，增加量子點(diǎn)的穩(wěn)定性，使得電子更有效地注入到TiO₂中，進(jìn)而提高量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。

(2)本方法由于在量子點(diǎn)表面修飾了OA-POSS，OA-POSS中的Si-O無(wú)機(jī)核起到了非常好的空間穩(wěn)定作用，而電解液分子可以容易地通過(guò)Si-O籠狀結(jié)構(gòu)到達(dá)TiO₂表面，增加量子點(diǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了TiO₂光陽(yáng)極與CdTe量子點(diǎn)間的界面改性，有效減少電荷復(fù)合，增加光生電子注入TiO₂光陽(yáng)極薄膜的注入效率和收集效率，提高了量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法實(shí)施例1的CdTe量子點(diǎn)修飾前后以及POSS的傅立葉變換紅外光譜圖；

圖2為本發(fā)明POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法實(shí)施例1的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)后透射圖；

圖3為本發(fā)明POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法實(shí)施例1 的CdTe量子點(diǎn)修飾前后的電池的J-V曲線；

圖4為本發(fā)明POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法實(shí)施例1的CdTe量子點(diǎn)修飾前后的電池的電化學(xué)交流阻抗譜；

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，不限制本申請(qǐng)權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)CdTe量子點(diǎn)的制備：采用水相法冷凝回流制備CdTe量子點(diǎn)；將NAC(N-乙酰-L-半胱氨酸)溶解于水中，室溫下攪拌至混合均勻；然后加入CdCl₂溶液，得到含Cd²⁺的前驅(qū)體溶液；劇烈攪拌后加入過(guò)量KBH₄，然后立即逐滴加入Na₂TeO₃水溶液，室溫下攪拌至透明均一的溶液；然后用NaOH溶液調(diào)整溶液的pH值為9-11.5；再在90-100℃的條件下加熱，制備得到不同粒徑的CdTe量子點(diǎn)，其中摩爾比NAC/Cd²⁺/Te^2-＝1.2:1:0.2；提純后，得到CdTe量子點(diǎn)粉末；

(2)POSS修飾CdTe量子點(diǎn)：利用OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)；將步驟1)得到CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成CdTe量子點(diǎn)溶液，將偶聯(lián)劑EDC加入到CdTe量子點(diǎn)溶液中攪拌30-60min，其中摩爾比CdTe：EDC＝1:50-1000；然后加入OA-POSS溶液后室溫?cái)嚢?-6h，使OA-POSS在CdTe量子點(diǎn)表面進(jìn)行充分修飾，其中CdTe與OA-POSS的摩爾比為1:10-1000；提純后，得到OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末；

(3)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組裝：將步驟2)得到的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液并用NaOH溶液調(diào)整pH值至9-11；然后加入TGA(巰基乙酸)作為分子連接劑，TGA與OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液的體積比為1:100-500；將二氧化鈦光陽(yáng)極浸泡在OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液中12-36小時(shí)，TGA將OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)連接在二氧化鈦光陽(yáng)極表面；然后與對(duì)電極CuS組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并二氧化鈦光陽(yáng)極與對(duì)電極CuS之間注入硫離子電解液，形成OA-POSS修飾CdTe 量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。

所述提純方法是為了除掉反應(yīng)過(guò)程中的多余試劑及副產(chǎn)物，將CdTe量子點(diǎn)由乙醇沉淀后，在離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心提純，然后放在干燥箱內(nèi)40℃-80℃干燥1-48h。

實(shí)施例1

(1)CdTe量子點(diǎn)的制備：采用水相法冷凝回流制備CdTe量子點(diǎn)；將NAC溶解于水中，室溫下攪拌至混合均勻；然后加入CdCl₂溶液，得到含Cd²⁺的前驅(qū)體溶液；劇烈攪拌后加入過(guò)量KBH₄，然后加入Na₂TeO₃水溶液，室溫下攪拌至透明均一的溶液；然后調(diào)整溶液的pH值至11；再在100℃的條件下加熱，制備得到不同粒徑的CdTe量子點(diǎn)，其中摩爾比NAC/Cd²⁺/Te^2-＝1.2:1:0.2；提純后，得到CdTe量子點(diǎn)粉末；

(2)POSS修飾CdTe量子點(diǎn)：利用OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)；將步驟1)得到CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成CdTe量子點(diǎn)溶液，將偶聯(lián)劑EDC加入到CdTe量子點(diǎn)溶液中攪拌30min，其中摩爾比CdTe：EDC＝1:500；加入OA-POSS溶液后室溫?cái)嚢?h，使OA-POSS在CdTe量子點(diǎn)表面進(jìn)行充分修飾，其中CdTe與OA-POSS的摩爾比為1:10；提純后，得到OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末；

(3)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組裝：將步驟2)得到的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液并調(diào)整pH值至10；然后加入TGA，TGA與OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液的體積比1:300；將二氧化鈦光陽(yáng)極浸泡在OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液中24小時(shí)，TGA將OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)連接在二氧化鈦光陽(yáng)極表面；然后與對(duì)電極CuS組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并二氧化鈦光陽(yáng)極與對(duì)電極CuS之間注入硫離子電解液，形成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。

實(shí)施例的測(cè)試結(jié)果如下：

表1實(shí)施例1中的CdTe量子點(diǎn)修飾前后的電池的性能參數(shù)

圖1為CdTe量子點(diǎn)修飾前后以及OA-POSS的傅立葉變換紅外光譜圖，在經(jīng)過(guò)OA-POSS修飾的CdTe量子點(diǎn)中，在1123cm^-1和1030cm^-1處的吸收峰分別歸屬于Si-O-Si的特征吸收和Si-O-Si的籠型骨架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，而未經(jīng)過(guò)修飾的CdTe量子點(diǎn)并沒(méi)有此特征吸收，證明OA-POSS對(duì)量子點(diǎn)的成功修飾。

圖2為OA-POSS修飾量子點(diǎn)之后的透射圖片，從圖中可以看出量子點(diǎn)均為近球形，粒徑分布較均勻，具有較好的單分散性。右上角插圖是量子點(diǎn)局部放大圖，可以看出量子點(diǎn)的晶格條紋明顯，條紋間距是0.36nm，對(duì)應(yīng)于立方閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CdTe量子點(diǎn)的(111)面，而且量子點(diǎn)結(jié)晶度較好。

圖3和表1分別為CdTe量子點(diǎn)修飾前后的電池的J-V曲線及性能參數(shù)，測(cè)試條件是AM1.5光照強(qiáng)度100mW/cm²進(jìn)行的，通過(guò)比較可知，電池的開(kāi)路電壓由0.53V提高到0.56V，短路電流由4.4mA/cm²提高到6.2mA/cm²，電池的光電轉(zhuǎn)化效率由原來(lái)的1.17％提高到1.87％，提高60％。

圖4為CdTe量子點(diǎn)修飾前后的電池的電化學(xué)交流阻抗譜，兩個(gè)半圓分別對(duì)應(yīng)于高頻部分對(duì)電極/電解液界面及電解液中的電荷傳輸過(guò)程(R₁，小半圓)，低頻部分TiO₂/量子點(diǎn)/電解液界面及TiO₂薄膜內(nèi)的電荷傳輸過(guò)程(R₂，大半圓)，圖中左上角為等效電路模型。通過(guò)比較可知，OA-POSS修飾的CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池電阻值較大，所以電池內(nèi)部具有較少的電荷復(fù)合，同時(shí)電解液分子可以容易地通過(guò)Si-O籠狀結(jié)構(gòu)到達(dá)TiO₂表面，增加量子點(diǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了TiO₂光陽(yáng)極與CdTe量子點(diǎn)間的界面改性，提高了量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的光電流和光電轉(zhuǎn)換效率。

實(shí)施例2

(1)CdTe量子點(diǎn)的制備：采用水相法冷凝回流制備CdTe量子點(diǎn)；將NAC溶解于水中，室溫下攪拌至混合均勻；然后加入CdCl₂溶液，得到含Cd²⁺的前驅(qū)體溶液；劇烈攪拌后加入過(guò)量KBH₄，然后加入Na₂TeO₃水溶液，室溫下攪拌至透明均一的溶液；然后調(diào)整溶液的pH值為10；再在100℃的條件下加熱，制備得到不同粒徑的CdTe量子點(diǎn)，其中摩爾比NAC/Cd²⁺/Te^2-＝1.2:1:0.2；提純后， 得到CdTe量子點(diǎn)粉末；

(2)POSS修飾CdTe量子點(diǎn)：利用OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)；將步驟1)得到CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成CdTe量子點(diǎn)溶液，將偶聯(lián)劑EDC加入到CdTe量子點(diǎn)溶液中攪拌40min，其中摩爾比CdTe：EDC＝1:200；然后加入OA-POSS溶液后室溫?cái)嚢?h，使OA-POSS在CdTe量子點(diǎn)表面進(jìn)行充分修飾，其中CdTe與OA-POSS的摩爾比為1:50；提純后，得到OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末；

(3)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組裝：將步驟2)得到的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液并調(diào)整pH值至10，加入TGA作為分子連接劑，TGA與OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液的體積比為1:100；將二氧化鈦光陽(yáng)極浸泡在OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液中24小時(shí)，TGA將OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)連接在二氧化鈦光陽(yáng)極表面；然后與對(duì)電極CuS組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并二氧化鈦光陽(yáng)極與對(duì)電極CuS之間注入硫離子電解液，形成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。

實(shí)施例3

(1)CdTe量子點(diǎn)的制備：采用水相法冷凝回流制備CdTe量子點(diǎn)；將NAC溶解于水中，室溫下攪拌至混合均勻；然后加入CdCl₂溶液，得到含Cd²⁺的前驅(qū)體溶液；劇烈攪拌后加入過(guò)量KBH₄，然后加入Na₂TeO₃水溶液，室溫下攪拌至透明均一的溶液；然后調(diào)整溶液的pH值為9；再在100℃的條件下加熱，制備得到不同粒徑的CdTe量子點(diǎn)，其中摩爾比NAC/Cd²⁺/Te^2-＝1.2:1:0.2；提純后，得到CdTe量子點(diǎn)粉末；

(2)POSS修飾CdTe量子點(diǎn)：利用OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)；將步驟1)得到CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成CdTe量子點(diǎn)溶液，將偶聯(lián)劑EDC加入到CdTe量子點(diǎn)溶液中攪拌50min，其中摩爾比CdTe：EDC＝1:700；然后加入OA-POSS溶液后室溫?cái)嚢?h，使OA-POSS在CdTe量子點(diǎn)表面進(jìn)行充分修飾，其中CdTe與OA-POSS的摩爾比為1:100；提純后，得到OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末；

(3)量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池的組裝：將步驟2)得到的OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)粉末溶于水配置成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液并調(diào)整pH值至10；然后加入TGA作為分子連接劑，TGA與OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液的體積比為1:500；將二氧化鈦光陽(yáng)極浸泡在OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)溶液中30小時(shí)，TGA將OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)連接在二氧化鈦光陽(yáng)極表面；然后與對(duì)電極CuS組裝成三明治結(jié)構(gòu)，并二氧化鈦光陽(yáng)極與對(duì)電極CuS之間注入硫離子電解液，形成OA-POSS修飾CdTe量子點(diǎn)敏化太陽(yáng)能電池。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。