[發(fā)明專利]一種雜原子摻雜的碳量子點在太陽能電池中的應(yīng)用

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310053661.6
• 申請日: 2013-02-19
• 公開（公告）號: CN103107287A
• 公開（公告）日: 2013-05-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葛介超;汪鵬飛;藍敏煥;王鷹;劉衛(wèi)敏
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所
• 主分類號: H01L51/42
• 分類號: H01L51/42;H01L51/46;H01G9/20
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張文祎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雜原子摻雜的碳量子點的制備及其應(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，使得這個領(lǐng)域的研究具有很大的潛在價值。

目前，硅基太陽能電池已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化以外，太陽能電池還主要分為無機太陽能電池、染料敏化太陽能電池和有機薄膜太陽能電池三大類。硅太陽能電池存在諸如光電轉(zhuǎn)換理論效率相對較低和成本較高的問題。GaAs、CdTe、Cu(In,Ga)Se2等無機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。有機聚合物薄膜太陽能電池以聚合物代替無機材料是太陽能電池研究的一個新的方向。有機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，對太陽能電池的推廣具有重要意義。但有機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)展實用化，還需要進一步的研究。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。相對于結(jié)晶硅太陽能電池，染料敏化太陽能電池的最大競爭優(yōu)勢在于制備簡單、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研究熱點。量子點材料同傳統(tǒng)染料相比，具有價格低廉、吸收范圍寬廣和光穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，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.Int.Ed,2010,49,6726-6244;Chem.Comm.2012,48.3686-3705；]。目前的研究表明，碳量子點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用作新的電子受體材料構(gòu)筑了有機太陽能電池，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用作光敏劑構(gòu)建量子點敏化的太陽能電池，其光電轉(zhuǎn)化效率僅為0.13%；美國印第安娜大學(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)達不到實際應(yīng)用的需要[Nano?Lett.2010,10,1869–1873]。因此，尚需開展大量的研究工作以促進基于碳量子點的高性能太陽能電池的研制。雜原子摻雜的碳量子點可以有效地調(diào)節(jié)量子點的特性包括電子性能和表面化學(xué)性質(zhì)[Energy?Environ.Sci.,2012,5,8869–8890]。因此，探索開發(fā)基于雜原子摻雜的碳量子點的太陽能電池等光電器件有望突破碳量子點太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率低的瓶頸，對解決能源危機具有及其重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是提供一種雜原子摻雜的碳量子點作為新型電子受體/給體材料在構(gòu)建有機聚合物太陽能電池中的應(yīng)用。

本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是提供一種雜原子摻雜的碳量子點作為新型光敏劑在構(gòu)建量子點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，其制備方法包括如下步驟：

1)向共軛聚合物中加入0.01～1000倍共軛聚合物質(zhì)量、0～1M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℃～500℃，反應(yīng)1～48小時；

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。

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：

式中：