氮摻雜多孔碳納米帶對電極在量子點電池中的性能研究

王思宇

摘要：使用FeCl3-MO為模板制作了聚吡咯納米管，與KOH按一定質(zhì)量比混合，經(jīng)高溫活化后形成氮摻雜多孔碳納米帶，掃描電鏡表明聚吡咯納米管在炭化和活化后結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，管狀結(jié)構(gòu)被破壞，XRD測試表明材料為單相石墨類碳材料，XPS測試表明氮元素成功摻入碳材料結(jié)構(gòu)之中。將材料以鎳網(wǎng)為基底制作對電極應用與CdS/CdSe量子點電池中效率達到了3.21%，證明其光電性能接近傳統(tǒng)金屬硫化物對電極。

關鍵詞 氮摻雜多孔碳納米帶 量子點電池

0引言

量子點太陽能電池是在染料敏化太陽能電池的基礎上發(fā)展而來的，作為第三代太陽能電池，量子點太陽能電池具有光吸收范圍可調(diào)節(jié)，制備方法簡單，理論效率高等優(yōu)點，典型的量子點電池是由光陽極，電解液和對電極三部分構(gòu)成的“三明治”結(jié)構(gòu)，陽極是量子點敏化的TiO2薄膜，常用的半導體量子點主要有CdS、CdSe、PbS、PbSe、InP等，量子點在吸收光子后價帶發(fā)生電子-空穴分離，電子激發(fā)進入導帶，注入到TiO2進入外電路，量子點的空穴被電解質(zhì)還原，電解質(zhì)在對電極處接受電子完成再生，形成一個完整的循環(huán)。對電極在電池中起到收集電子和催化還原電解質(zhì)的作用，目前常見的對電極材料有Pt，CuS，PbS等。但是Pt屬于貴金屬，成本較高且不穩(wěn)定，鉛及其化合物，對環(huán)境和身體健康有害，CuS的基底易受電解液腐蝕，導致性能降低。因此，碳材料由于具有良好的導電性，高電催化活性和低廉的價格進入到人們的視野，碳材料的形貌多樣，結(jié)構(gòu)豐富，可以通過摻雜，活化等方法改變其理化特性。本文使用FeCl3-MO模板自我降解法制備了氮摻雜聚吡咯納米管，并通過與KOH混合高溫活化，化學活化是制備高比表面積、高空隙率多孔炭材料最常用的方法之一，活化劑包括磷酸、氯化鋅、氫氧化鉀等。本文制備了一種三維結(jié)構(gòu)氮摻雜多孔碳納米帶，增大了材料的比表面積，形成的多孔結(jié)構(gòu)為催化還原電解質(zhì)提供了充足的電化學活性位點，將其沉積在鎳網(wǎng)表面制作的對電極應用在CdS/CdSe量子點電池中的效率達到了3.21%，非常接近于鉛對電極。

1實驗部分

1.1制備氮摻雜多孔碳納米帶

將0.735 g甲基橙溶解于0.45L去離子水中，加入6.06 g六水合三氯化鐵，攪拌40 min，加入1.509g吡咯，攪拌聚合24 h，將材料分別使用乙醇和去離子水沖洗干凈，放入鼓風干燥箱中烘干。將烘干后的材料放入管式爐中，在氮氣保護下600℃炭化2 h，升溫速率為5℃/min。將炭化后的材料與氫氧化鉀以1：2的質(zhì)量比均勻混合，使用管式爐在氮氣保護下800℃活化2h，溫度降至室溫后取出，分別使用過量的鹽酸和水清洗至中性后放入干燥箱烘干。

1.2制作對電極和多硫電解液

瑪瑙研缽中放入0.05g制備的碳材料，加入1ml正丁醇，0.1ml鈦酸四丁酯和0.1ml曲拉通，研磨30min形成糊狀漿料，使用手術刀將碳漿刮涂在清洗干凈的鎳網(wǎng)表面，使用管式爐通氮氣400℃熱處理30min。將9.6g Na2S·9H2O，2.56g硫粉，0.29g KCL加入20ml去離子水，中速攪拌2h，即得到呈深黃色的透明電解液。

2結(jié)果與討論

2.1形貌表征

a為聚吡咯納米管的掃描電鏡圖，可以看出聚吡咯納米管的平均長度約為5 m，平均直徑約為400nm，表面較為光滑，b為樣品經(jīng)過800℃活化后的掃描電鏡圖，可以明顯看出經(jīng)炭化和活化處理后，原有的管狀結(jié)構(gòu)已全部展開，呈現(xiàn)出帶狀片層與卷曲帶狀交織在一起的三維立體結(jié)構(gòu)。

2.2 XRD測試和XPS圖譜

2.3光電性能測試

由測試數(shù)據(jù)可知，使用碳材料作為對電極的電池的短路電流密度、開路電壓和填充因子分別為14.07 mA/cm2、0.43V和53.4%，其中，短路電流密度高于硫化鉛對電極的值（13.73 mA/cm2）。從效率看，電池使用碳材料對電極的效率為3.21%，非常接近硫化鉛對電極4%的效率，盡管未能超過硫化鉛對電極，但氮摻雜多空碳納米帶材料的制作成本低，制作方法簡單，環(huán)境友好，是替代鉛作為量子點電池高性能對電極的理想材料。

3結(jié)論

使用模板自我降解法制備了聚吡咯納米管，經(jīng)炭化、KOH活化造孔制備成了氮摻雜三維結(jié)構(gòu)多孔碳納米帶，材料的多孔結(jié)構(gòu)和氮元素的摻雜為催化還原電解液提供了豐富的電化學活性位點，使碳材料的性能得到明顯改善，以鎳網(wǎng)為基底，將其制作對電極應用于CdS/CdSe量子點電池中的光電轉(zhuǎn)換效率達到了3.21%接近與硫化鉛對電極4%的轉(zhuǎn)換效率。

基金項目：2018年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目。

參考文獻

[1] 袁懷亮.CdS/CdSe量子點敏化太陽能電池研究及硫化鈷對電極的應用[D].

[2] 衛(wèi)會云，王國帥，吳會覺等.量子點敏化太陽能電池研究進展[J].物理化學學報，2016（01）：201-213.

[3] 王多發(fā)，何章凱，張慧婕等.復合對電極CdS量子點敏化TiO2納米管太陽能電池[J].湖北大學學報（自然科學版），2017，39（02）：142-146.

[4] ITO，S&N.TAKUROU&M.GRATZEL，etal.Highly efficient dye-sensitized solar cells based on carbonblack counter electrodes[J].The Electrochemical Society，2006，153（12）：2255-2261.

[5] 王桂強，劉潔瓊，董偉楠等.氮/硫共摻雜多孔碳納米片的制備及其電化學性能[J].物理學報，2018（23）.

[6] 翟登云.高能量密度超級電容器的電極材料研究[D].北京：清華大學，2011.

[7] Hou，S.&X.Cai&H.Wu&X.Yu&M.Peng&K.Yan&D.Zou.Nitrogen-doped graphene for dye-sensitized solar cells and the role nitrogen states in triiodide reduction，Energy Environ.Sci，2013（06）：3356-3362.