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按一定質量比混合，經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構發生改變，管狀結構被破壞，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構之中。將材料以鎳網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節，制備方法簡單，理論效率高等優點，典型的量子點電池是由光陽極，電解液和對電極三部分構成的“三明治”結構，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生電子-空穴分離，電子激發進入導帶，注入到TiO2進入外電路，量子點的空穴被電解質還原，電解質在對電極處接受電子完成再生，形成一個完整的循環。對電極在電池中起到收集電子和催化還原電解質的作用，目前常見的對電極材料有Pt，CuS，PbS等。但是Pt屬于貴金屬，成本較高且不穩定，鉛及其化合物，對環境和身體健康有害，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，結構豐富，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構氮摻雜多孔碳納米帶，增大了材料的比表面積，形成的多孔結構為催化還原電解質提供了充足的電化學活性位點，將其沉積在鎳網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為樣品經過800℃活化后的掃描電鏡圖，可以明顯看出經炭化和活化處理后，原有的管狀結構已全部展開，呈現出帶狀片層與卷曲帶狀交織在一起的三維立體結構。

2.2 XRD測試和XPS圖譜

2.3光電性能測試

由測試數據可知，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結論

使用模板自我降解法制備了聚吡咯納米管，經炭化、KOH活化造孔制備成了氮摻雜三維結構多孔碳納米帶，材料的多孔結構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換效率達到了3.21%接近與硫化鉛對電極4%的轉換效率。

基金項目：2018年大學生創新創業訓練計劃項目。

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