文摘

掺杂TiO的电影₂/ PbS / cd已经由连续离子层吸附和反应(SILAR)方法。Bi - Ag-doped-PbS量子点(QD)是由混合Bi^{3 +}或Ag)⁺在沉积和现有形式的PbS QD中的掺杂元素进行了分析。结果表明,Bi^{3 +}进入PbS的立方体空间捐赠产生间隙掺杂Bi-doped-PbS QD、Ag)⁺取代铅^{2 +}PbS的受体产生置换掺杂Ag-doped-PbS QD。这部小说Bi-doped-PbS / cd和Ag-doped-PbS / CdS量子点多敏感太阳能电池(QDCSC)捏造和功率转换效率(PCE)达到了2.4%和2.2%,分别在阳光充足的照明。

1。介绍

日益受到关注的量子点因其显著的特征吸收系数高、可调带隙和多个激子一代(MEG)效应(1- - - - - -4]。理论上,PCE QDSSCs可能达到66% (5];然而,实际的PCE QDSSC目前并不理想。将杂质引入QD敏化剂可以成功地提高QDSSC的性能6- - - - - -9]。使用这种方法,量子点CdSe和化学量子点CdSe TiO的沉积₂电极显示广泛的光谱响应(6)和Mn-doped cd创建电子态midgap地区的CdS QD (7),虽然他们没有给出现有形式的掺杂元素。李集团公布了PbS: Hg QD-sensitized太阳能电池前所未有的高30 mA /厘米²通过整合,由于加强Pb-S债券Hg^{2 +}离子PbS晶格的间隙和扩大吸收光谱(8),取得了令人鼓舞的功率转换效率等设备。

半导体纳米晶体(nc),一个单一的掺杂剂进入nc引入杂质水平(10]。对于多个杂质在一个单一的点,离域的性质和杂质的载流子的相互作用可能大大修改相对于大部分情况下(11]。掺杂对QD的影响类似于nc杂质的影响,由于QD具有更强的约束效果。在这份报告中,Bi^{3 +}和Ag)⁺重掺杂进PbS QD并创建了杂质能带带隙的PbS QD。

,Bi - Ag-doped-PbS量子点(QD)是由混合Bi^{3 +}或Ag)⁺SILAR方法和现有形式的PbS QD中的掺杂元素进行了分析。光学测量、霍尔测量和XPS加上理论分析表明,Bi^{3 +}进入PbS的立方体空间捐赠产生间隙掺杂Bi-doped-PbS QD、Ag)⁺取代铅^{2 +}PbS的受体产生置换掺杂Ag-doped-PbS QD。这部小说量子点多敏感太阳能电池(QDCSC) TiO的光电阳极₂-Bi-doped-PbS / cd或TiO₂/ Ag-doped-PbS / cd、铜₂年代反电极和硫化/多硫化合物电解质是捏造和功率转换效率(PCE)达到了2.4%和2.2%,分别在阳光充足照明,高于无掺杂TiO₂/ PbS / cd。通过紫外可见和UPS测量,我们注意到,QD能带的变化导致QDCSC的性能的差异。研究重视QDSSC的发展。

2。材料和方法

2.1。敏化介孔TiO的QD₂电影

首先,FTO-coated玻璃基板被声波降解法在碱性清洗,洗水的解决方案,用去离子水冲洗,乙醇,丙酮,干用氮气。基质是0.04水溶液TiCl治疗₄在70°C为30分钟,用去离子水冲洗,干燥30分钟的450°C。后冷却到室温(25°C),介孔TiO₂层由20-nm-sized粒子沉积在基板用刮片方法和退火30分钟的450°C。连续离子层吸附和反应(SILAR)方法来宣传TiO₂与QD介孔薄膜。简单地说,介孔TiO₂药皮焊条首次蘸乙醇和去离子水(1:1)解决0.1 Pb(没有₃)₂1分钟,其次是0.1 Na的甲醇溶液中浸渍₂为1分钟。每个浸渍电极之间彻底清洗用乙醇或甲醇和干氮气。这些过程被定义为一个周期。然后,TiO₂衬底电极沉积与PbS先后蘸乙醇溶液0.1 Cd(没有₃)₂5分钟和0.1 Na的甲醇溶液₂另一个5分钟。每个浸渍电极之间彻底清洗用乙醇或甲醇和干氮气。Bi-doped-PbS和Ag-doped-PbS QD 5 BiCl更易₃和6.7更易AgNO₃被添加到Pb(没有₃)₂阳离子前驱溶液,分别。在每个条件,获得最佳光伏性能几个涂料循环重复(2周期PbS、Bi-doped-PbS Ag-doped-PbS, 6周期Ag-doped-PbS / cd、cd和7个周期的cd Bi-doped-PbS / cd)。

2.2。太阳能电池制造

抛光黄铜盘被声波降解法在偏碱性的清洁,用去离子水冲洗,乙醇,异丙醇,和丙酮(体积比是8:2),和干氮气。清洁铜板蚀刻在盐酸在80°C(35.0 ~ 37.0%) 30分钟,随后与去离子水清洗和干燥氮气。多硫化合物电解质溶液组成的1 M Na₂年代,1 M S,在去离子水和0.1 M氢氧化钠是掉在蚀刻铜15 - 30分钟和黑颜色的铜₂年代上形成黄铜箔。量子点的敏化TiO₂电极和铜₂对电极组装使用60毫米厚密封材料。多硫化合物电解质溶液注入光电阳极之间的差距,从侧面反电极使用注射器。有效面积为0.25厘米²。

3所示。结果与讨论

场发射扫描电子显微镜(FESEM、日立s - 4800)被用来描述样品的形态。(数据所显示的扫描电镜图像1(一),1 (b),1 (c),1 (d)),介孔薄膜沉积在FTO玻璃。通过比较TiO的扫描电镜图像₂/ Bi-doped-PbS(图1(一))和TiO₂/ Bi-doped-PbS / cd(图1 (b)),TiO₂/ Ag-doped-PbS(图1 (c)),TiO₂/ Ag-doped-PbS / cd(图1 (d)),介孔薄膜的孔隙大小分布降低量子点的cd,存款后,确认形成的量子点多敏感。能量色散x射线谱(EDS)收集调查的组成介孔薄膜。根据相应的EDS光谱,元素Bi和Ag)存在于介孔薄膜。进一步确定和分析介孔中的元素的电影,电感耦合等离子体光学发射光谱学(ICP-OES)测量使用。结果表明,元素Bi和Ag)存在于相应的介孔薄膜(表1),同意与EDS的结果。

黑色,红色,蓝色,和绿色曲线在图2(一个)展示TiO的x射线粉末衍射谱₂介孔薄膜沉积的纯PbS, Bi-doped-PbS和Ag-doped-PbS分别。相比之下,我们发现了六个额外的衍射峰不来源于TiO₂,表明TiO的PbS晶体生长₂介孔薄膜。此外,新的衍射峰没有出现Bi-doped-PbS和Ag-doped-PbS,这意味着没有新的物质产生与阳离子掺杂后Bi^{3 +}和Ag)⁺。然而,一点点的扩大(311)晶体表面Bi-doped-PbS掺杂后尺寸变化引起的阳离子Bi^{3 +}。根据图2 (b)量子点,Bi-doped-PbS / cd和Ag-doped-PbS / cd多敏感已经成功地沉积在介孔TiO₂电影,分别。

Bi-doped-PbS, PbS和量子点Ag-doped-PbS敏化介孔TiO₂电影也具有透射电子显微镜(TEM、范Tecnai F20UT)操作在200千伏,掺杂对PbS QD的影响进行调查。TEM图像显示非常清晰的晶格量子点的边缘(图3)。这显然是Bi-doped-PbS的大小(图3 (b))QD小于PbS QD(图3(一个)大小的),而Bi-doped-PbS QD(图3 (c)PbS QD) =。这意味着Bi杂质引起的晶格收缩PbS和Ag对PbS的晶格杂质没有影响,同意与XRD的结果。PbS的x射线光电子能谱(XPS)分析,量子点Bi-doped-PbS, Ag-doped-PbS介孔TiO的吸附₂表面也表现(图4)。通过XPS分析(表2),元素的价态,Pb, Bi,和Ag−2 + 2, + 3, + 1 (Ag)元素的相对稳定的价是+ 111分别])。

半导体掺杂改变的过程是一个非本征半导体的本征半导体。霍尔测量表明,PbS、Bi-doped-PbS Ag-doped-PbS p型、n型和p型半导体(表3),分别。它表明Bi杂质“捐赠”他们额外的价电子PbS的传导带,提供多余的电子PbS。多余的电子增加PbS的电子载体浓度,形成杂质能带位于靠近导带与价带。然而,Ag杂质“接受”电子从价带的PbS。多余的孔增加PbS的空穴载流子浓度,形成杂质能带位于接近价比传导带导带。

量子点的漫反射吸收光谱图所示5(一个)。掺杂杂质后,宽带出现在近红外区观察Bi-doped-PbS和Ag-doped-PbS QD,这可以归因于重掺杂Bi或Ag杂质形成杂质能带带隙的PbS。基于介孔的Bi-doped-PbS TiO₂电影,Bi-doped-PbS明显增强的光学吸收的可见光明显,表明Bi-doped-PbS可以产生更多的photogenerated电子。此外,量子点Bi-doped-PbS显示明显的吸收光谱蓝移的增加由于大部分能量带隙。一般来说,降低吸收波长发生的转变与减少颗粒大小代表这些粒子尺寸量子化效应(12]。Ag-doped-PbS,没有明显的变化预计宽带在近红外区,表明PbS的大小不变后掺杂Ag杂质。这些结果与获得的结果是在协议与XRD和TEM。

量子点的光学带隙估计通过漫反射吸收光谱方程(13]。如图5 (b)PbS的光学带隙、Bi-doped-PbS和Ag-doped-PbS QD 1.05 eV, 1.2 eV,分别和1.07 eV。紫外线光电子能谱(UPS)可以确定最大价带(VBM) [14]。二次截止是我光源安装在他的能量(21.2 eV),外推的低能量区域对应于势能VBM的真空水平(8,14)(图5 (b))。导带的位置最低(CBM)估计基于VBM和光学带隙能量(8]。重掺杂Bi-doped-PbS QD是n型半导体,所以杂质能带是煤层气(图附近6(一)),而重掺杂的杂质能带是接近VBM Ag-doped-PbS QD因为它是p型半导体。带边沿对齐如图6,煤层气的量子点掺杂量子点相对于纯向上移动。

图7(一)量子点显示漫反射吸收光谱多敏感介孔TiO₂电影。光电流density-voltage (- - - - - -基于TiO)曲线QDCSCs₂/ PbS (2) / cd (7), TiO₂/ Bi-doped-PbS (2) / cd (7), TiO₂/ PbS (2) / cd(6),和TiO₂/ Ag-doped-PbS (2) / cd(6)给出了图7 (b)。我们展示太阳能电池性能参数表4。通过比较与相应的纯的系统,QDCSC本质上是增加量子点掺杂Bi或Ag杂质PbS。的的值可以影响细胞的单色事件photon-to-electron转换效率(IPCE)和光谱响应范围。量子点掺杂Bi或Ag杂质PbS导致价值的改进IPCE拓宽光谱响应范围,根据IPCE光谱(图7 (c))导致的增加。此外,两个系统,退化为光电流增加,这可能是因为分流电阻下降。填充因素可能是由于退化被降解。因此电力转换效率略有提高量子点掺杂Bi或Ag杂质PbS。

电化学阻抗谱(EIS)如图7 (d)。本系列电阻(TiO)和电子转移电阻₂量子点/和电解液界面()和光电阴极和电解质溶液界面(总结在表5源自于光谱利用等效电路(15]。的和减少后掺杂Bi^{3 +}和Ag)⁺,这表明掺杂QDCSCs的电荷转移电阻降低。然而,减少电子转移电阻值增加。因此,掺杂的PCE QDCSCs略有改善。

PbS的原理结构、Bi-doped-PbS和量子点Ag-doped-PbS图所示8根据光学测量的结果,XPS,霍尔测量,和报道文章8,16]。Bi的半径^{3 +}等于PbS立方体的间隙半径(16表所示)6,所以Bi^{3 +}可以进入立方体间隙形成间隙掺杂。我们推断(Pb-S)债券是由掺杂了Bi^{3 +},这不仅有助于减少晶格大小但PbS QD的光学带隙的增加。Ag)的半径⁺是一个小比PbS立方体的间隙半径小,等于Pb的半径^{2 +};因此,Ag)⁺可以代替铅^{2 +}形成替代掺杂,导致晶格收缩。然而,(Pb-S)债券的破坏使晶格扩张。这两种函数引起晶格畸变和Ag-doped-PbS的大小不变。

基于光学测量、UPS和霍尔测量,我们推断QDCSCs的内部机制和掺杂QDCSCs解释的变化QDCSCs掺杂后的性能。从图9掺杂QDCSCs的显著差异是在量子点doped-PbS杂质能带。量子点的PbS和cd既能吸收光线,导致电子空穴的分离。对于Bi-doped-PbS QDCSSC, photogenerated电子生成的杂质能带可以转移到TiO的煤层气₂,这意味着Bi施主杂质造成电子。Ag-doped-PbS, photogenerated cd不仅可以产生电子转移到TiO的煤层气₂还Ag)杂质能带可能,这意味着Ag是受主杂质造成漏洞。这意味着有更高的概率复合电子杂质能带导致减少的Rc doped-PbS QDCSC。

4所示。结论

量子点严重doped-PbS被掺杂阳离子Bi准备^{3 +}和Ag)⁺和间质或置换掺杂杂质的存在形式。阳离子Bi^{3 +}进入PbS的立方体空间捐赠产生间隙掺杂Bi-doped-PbS QD、和Ag)⁺取代铅^{2 +}PbS的受体产生置换掺杂Ag-doped-PbS QD。小说Bi-doped-PbS / cd和Ag-doped-PbS / CdS量子点多敏感太阳能电池(QDCSC)组装和PCE的2.4%和2.2%,分别在阳光充足的照明。分析细胞的能量水平的变化有重要影响的理解掺杂效应的理论和QDSSC的发展。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作由北京自然科学基金重点项目(3131001),中国自然科学基金重点项目(91233201和91233201),北京教育委员会科技计划重点项目(KZ201211232040),大多数中国的国家863计划(2011 aa050527),北京分子科学国家实验室(BNLMS2012-21),国家重点实验室南京大学固体微结构(M27019),国家重点实验室新陶瓷和清华大学(KF1210)精深加工,为可再生能源与天然气水合物重点实验室中国科学院(y207ka1001),北京重点实验室传感器BISTU (KF20141077207和KF20141077208),和北京重点实验室光电的测量BISTU (GDKF2013005)。