作為碳納米材料家族的一員,碳量子點（CQDs）以其獨特的光電特性、環(huán)境友好、制備成本低等優(yōu)點成為近年來的研究熱點,并在太陽電池、光電催化、傳感器等光伏與光電領域展現(xiàn)出廣闊的應用潛力。本文以殼聚糖為原料,采用水熱法在酸性、中性、堿性（pH=3,7,10）環(huán)境下制備了熒光碳量子點,并對其光致發(fā)光性質和結構進行了表征。TEM測試表明,隨著pH值從3增大到10,其粒徑由2.80 nm減小到1.83 nm。將獲得的碳量子點作為光敏化劑,組裝成敏化太陽電池（SSCs）,結果表明pH=3時制備出的CQDs組裝的太陽電池具有最高的光電轉換效率（PCE）。為了進一步提升SSCs的性能,將CQDs與N719染料復合,制備了共敏化太陽電池（co-SSCs）。由于CQDs的上轉換特性和良好的載流子傳輸性能,CQDs/N719基co-SSCs的PCE較CQDs及N719染料單獨敏化太陽電池顯著提高,最高PCE達9.13%。這些研究結果為制備碳量子點及組裝高效敏化太陽電池提供了新思路。 

【文章來源】：發(fā)光學報. 2020,41(10)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不同水熱環(huán)境制備的CQDs的透射電鏡圖。

殼聚糖含有大量的氨基(—NH2)和羥基(—OH)官能團,是一種天然氨基多糖,在水熱作用下會水解成為葡萄糖。葡萄糖脫水縮合后形成CQDs。殼聚糖自身的天然性和無毒性,使其被視為一種制備CQDs的良好前驅體[20]。用硝酸和氨水來調(diào)節(jié)水熱環(huán)境的pH值,在pH值分別為3,7,10的酸性、中性和堿性環(huán)境中,制備具有熒光特性的CQDs。對不同酸堿水熱環(huán)境中制備得到的CQDs的高純水溶液進行紫外-可見光吸收光譜(UV2310II spectrometer (Techcomp,China))表征,結果如圖1(a)所示。酸性水熱環(huán)境(pH=3)下得到的CQDs溶液在270 nm處有一個明顯的吸收峰,歸因于 C = C 鍵的π-π*躍遷;而中性和堿性CQDs溶液的紫外吸收光譜均呈現(xiàn)出兩個明顯的吸收峰,且中性CQDs的吸收峰位于240 nm與300 nm處,堿性CQDs溶液的吸收峰位于260 nm與300 nm處,歸因于形成CQDs的 C = Ο 鍵的n-π*躍遷和 C = C 鍵的π-π*躍遷[21-22]。圖1(b)～(d)分別為酸性、中性和堿性CQDs溶液的光致發(fā)光光譜(F-7000,Hitachi High Tech CO., Japan)。從圖1(b)～(d)可知,3種水熱環(huán)境下獲得的CQDs均表現(xiàn)出激發(fā)波長依賴性,隨著激發(fā)波長的增大,發(fā)射波長出現(xiàn)顯著紅移,且發(fā)射強度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢。為進一步證明其熒光特性,圖2(a)～(c)分別給出pH=3,7,10的水熱環(huán)境中獲得的CQDs的透射電鏡圖及高倍透射電鏡圖(TEM & HRTEM,FEI Tecnai G-20),以及相應溶液在紫外燈照射下的熒光照片。從圖中可看出,中性和堿性量子點溶液在紫外燈照射下發(fā)出明亮的藍色光。從高倍透射電鏡圖可知,在pH=3,7,10的水熱環(huán)境中制備的CQDs的晶格間距分別為0.29,0.28,0.26 nm,且平均晶粒尺寸分別為2.80,2.28,1.83 nm。這表明不同pH環(huán)境下,量子點的摻雜環(huán)境不同,致使表面官能團不同,從而改變CQDs的晶格間距。

為了獲得高效率的敏化太陽電池,我們采用兩種敏化劑復合來制備共敏化太陽電池。分別利用N719的乙醇溶液和pH=3環(huán)境下制得的CQDs對FTO支撐的TiO2光陽極進行敏化,再結合包含氧化還原對I-/I-3的電解質,以及FTO玻璃支撐的鉑對電極,可制作得到共敏化太陽電池。圖4(b)為共敏化太陽電池的J-V特性曲線,光伏參數(shù)見表1。由圖4(b)和表1可知,與單一的CQDs或N719基敏化太陽電池相比,CQDs/N719共敏化太陽電池的JSC、VOC、FF及PCE均有顯著提升,并且其光電轉換效率高達9.13%。基于復合敏化劑CQDs/N719共敏化太陽電池性能提升的主要原因是:一方面,CQDs與N719之間的熒光共振能量轉移(Fluorescence resonance energy transfer,FRET)作用有效地增加了器件的光吸收能力[24];另一方面,N719的VB(-5.55 eV)介于TiO2光陽極和CQDs的VB之間,且CB(-3.85 eV)位于TiO2光陽極VB上方,能更好地與CQDs的VB相匹配。而N719、CQDs和電解質構成的梯度能級結構更有利于電子的輸出,促進了光生載流子的分離[25]。在Ag2S、CdS、PbS等量子點的研究中,人們也證實了量子點有助于界面電荷傳輸,從而提高量子點與染料共敏化太陽電池的光電轉換效率[26-29]。表1 CQDs敏化太陽電池和N719/CQDs共敏化太陽電池的光伏參數(shù)Tab.1 Photovoltaic parameters of CQD SSCs and N719/CQDs co-SSCs Sample JSC/(mA·cm-2) VOC/ V FF PCE/% pH=3 0.40 0.50 0.60 0.24 pH=7 0.37 0.43 0.56 0.17 pH=10 0.27 0.41 0.49 0.09 N719 16.80 0.73 0.70 8.40 N719/CQDs 17.00 0.75 0.71 9.13

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Ag2Se量子點共敏化固態(tài)染料敏化太陽能電池光電性能研究[J]. 楊英,潘德群,張政,陳甜,韓曉敏,張力松,郭學益.  無機材料學報. 2019(02)

碩士論文
[1]氮摻雜碳量子點的制備及其在染料敏化太陽電池中的應用研究[D]. 楊啟鳴.云南師范大學 2018



本文編號：3219003