作為碳納米材料家族的一員,碳量子點(diǎn)（CQDs）以其獨(dú)特的光電特性、環(huán)境友好、制備成本低等優(yōu)點(diǎn)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn),并在太陽(yáng)電池、光電催化、傳感器等光伏與光電領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)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(diǎn),并對(duì)其光致發(fā)光性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。TEM測(cè)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(diǎn)作為光敏化劑,組裝成敏化太陽(yáng)電池（SSCs）,結(jié)果表明pH=3時(shí)制備出的CQDs組裝的太陽(yáng)電池具有最高的光電轉(zhuǎn)換效率（PCE）。為了進(jìn)一步提升SSCs的性能,將CQDs與N719染料復(fù)合,制備了共敏化太陽(yáng)電池（co-SSCs）。由于CQDs的上轉(zhuǎn)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(dú)敏化太陽(yáng)電池顯著提高,最高PCE達(dá)9.13%。這些研究結(jié)果為制備碳量子點(diǎn)及組裝高效敏化太陽(yáng)電池提供了新思路。 

【文章來(lái)源】：發(fā)光學(xué)報(bào). 2020,41(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【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(tuán),是一種天然氨基多糖,在水熱作用下會(huì)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(wú)毒性,使其被視為一種制備CQDs的良好前驅(qū)體[20]。用硝酸和氨水來(lái)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(duì)不同酸堿水熱環(huán)境中制備得到的CQDs的高純水溶液進(jìn)行紫外-可見光吸收光譜(UV2310II spectrometer (Techcomp,China))表征,結(jié)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(gè)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(gè)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(zhǎng)依賴性,隨著激發(fā)波長(zhǎng)的增大,發(fā)射波長(zhǎng)出現(xiàn)顯著紅移,且發(fā)射強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。為進(jìn)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(yīng)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(diǎn)溶液在紫外燈照射下發(fā)出明亮的藍(lán)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(diǎn)的摻雜環(huán)境不同,致使表面官能團(tuán)不同,從而改變CQDs的晶格間距。

為了獲得高效率的敏化太陽(yáng)電池,我們采用兩種敏化劑復(fù)合來(lái)制備共敏化太陽(yáng)電池。分別利用N719的乙醇溶液和pH=3環(huán)境下制得的CQDs對(duì)FTO支撐的TiO2光陽(yáng)極進(jìn)行敏化,再結(jié)合包含氧化還原對(duì)I-/I-3的電解質(zhì),以及FTO玻璃支撐的鉑對(duì)電極,可制作得到共敏化太陽(yáng)電池。圖4(b)為共敏化太陽(yáng)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(yáng)電池相比,CQDs/N719共敏化太陽(yáng)電池的JSC、VOC、FF及PCE均有顯著提升,并且其光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)9.13%。基于復(fù)合敏化劑CQDs/N719共敏化太陽(yáng)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(zhuǎn)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(yáng)極和CQDs的VB之間,且CB(-3.85 eV)位于TiO2光陽(yáng)極VB上方,能更好地與CQDs的VB相匹配。而N719、CQDs和電解質(zhì)構(gòu)成的梯度能級(jí)結(jié)構(gòu)更有利于電子的輸出,促進(jìn)了光生載流子的分離[25]。在Ag2S、CdS、PbS等量子點(diǎn)的研究中,人們也證實(shí)了量子點(diǎn)有助于界面電荷傳輸,從而提高量子點(diǎn)與染料共敏化太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率[26-29]。表1 CQDs敏化太陽(yáng)電池和N719/CQDs共敏化太陽(yáng)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(xiàn)】：
期刊論文
[1]Ag2Se量子點(diǎn)共敏化固態(tài)染料敏化太陽(yáng)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(xué)益.  無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào). 2019(02)

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



本文編號(hào)：3219003