氮掺杂多孔碳纳米带对电极在量子点电池中的性能研究

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　　摘要：使用FeCl3-MO为模板制作了聚吡咯纳米管，与KOH按一定质量比混合，经高温活化后形成氮掺杂多孔碳纳米带，扫描电镜表明聚吡咯纳米管在炭化和活化后结构发生改变，管状结构被破坏，XRD测试表明材料为单相石墨类碳材料，XPS测试表明氮元素成功掺入碳材料结构之中。将材料以镍网为基底制作对电极应用与CdS/CdSe量子点电池中效率达到了3.21%，证明其光电性能接近传统金属硫化物对电极。
　　关键词 氮掺杂多孔碳纳米带 量子点电池
　　0引言
　　量子点太阳能电池是在染料敏化太阳能电池的基础上发展而来的，作为第三代太阳能电池，量子点太阳能电池具有光吸收范围可调节，制备方法简单，理论效率高等优点，典型的量子点电池是由光阳极，电解液和对电极三部分构成的“三明治”结构，阳极是量子点敏化的TiO2薄膜，常用的半导体量子点主要有CdS、CdSe、PbS、PbSe、InP等，量子点在吸收光子后价带发生电子-空穴分离，电子激发进入导带，注入到TiO2进入外电路，量子点的空穴被电解质还原，电解质在对电极处接受电子完成再生，形成一个完整的循环。对电极在电池中起到收集电子和催化还原电解质的作用，目前常见的对电极材料有Pt，CuS，PbS等。但是Pt属于贵金属，成本较高且不稳定，铅及其化合物，对环境和身体健康有害，CuS的基底易受电解液腐蚀，导致性能降低。因此，碳材料由于具有良好的导电性，高电催化活性和低廉的价格进入到人们的视野，碳材料的形貌多样，结构丰富，可以通过掺杂，活化等方法改变其理化特性。本文使用FeCl3-MO模板自我降解法制备了氮掺杂聚吡咯纳米管，并通过与KOH混合高温活化，化学活化是制备高比表面积、高空隙率多孔炭材料最常用的方法之一，活化剂包括磷酸、氯化锌、氢氧化钾等。本文制备了一种三维结构氮掺杂多孔碳纳米带，增大了材料的比表面积，形成的多孔结构为催化还原电解质提供了充足的电化学活性位点，将其沉积在镍网表面制作的对电极应用在CdS/CdSe量子点电池中的效率达到了3.21%，非常接近于铅对电极。
　　1实验部分
　　1.1制备氮掺杂多孔碳纳米带
　　将0.735 g甲基橙溶解于0.45L去离子水中，加入6.06 g六水合三氯化铁，搅拌40 min，加入1.509g吡咯，搅拌聚合24 h，将材料分别使用乙醇和去离子水冲洗干净，放入鼓风干燥箱中烘干。将烘干后的材料放入管式炉中，在氮气保护下600℃炭化2 h，升温速率为5℃/min。将炭化后的材料与氢氧化钾以1：2的质量比均匀混合，使用管式炉在氮气保护下800℃活化2h，温度降至室温后取出，分别使用过量的盐酸和水清洗至中性后放入干燥箱烘干。
　　1.2制作对电极和多硫电解液
　　玛瑙研钵中放入0.05g制备的碳材料，加入1ml正丁醇，0.1ml钛酸四丁酯和0.1ml曲拉通，研磨30min形成糊状浆料，使用手术刀将碳浆刮涂在清洗干净的镍网表面，使用管式炉通氮气400℃热处理30min。将9.6g Na2S·9H2O，2.56g硫粉，0.29g KCL加入20ml去離子水，中速搅拌2h，即得到呈深黄色的透明电解液。
　　2结果与讨论
　　2.1形貌表征
　　a为聚吡咯纳米管的扫描电镜图，可以看出聚吡咯纳米管的平均长度约为5 m，平均直径约为400nm，表面较为光滑，b为样品经过800℃活化后的扫描电镜图，可以明显看出经炭化和活化处理后，原有的管状结构已全部展开，呈现出带状片层与卷曲带状交织在一起的三维立体结构。
　　2.2 XRD测试和XPS图谱
　　2.3光电性能测试
　　由测试数据可知，使用碳材料作为对电极的电池的短路电流密度、开路电压和填充因子分别为14.07 mA/cm2、0.43V和53.4%，其中，短路电流密度高于硫化铅对电极的值（13.73 mA/cm2）。从效率看，电池使用碳材料对电极的效率为3.21%，非常接近硫化铅对电极4%的效率，尽管未能超过硫化铅对电极，但氮掺杂多空碳纳米带材料的制作成本低，制作方法简单，环境友好，是替代铅作为量子点电池高性能对电极的理想材料。
　　3结论
　　使用模板自我降解法制备了聚吡咯纳米管，经炭化、KOH活化造孔制备成了氮掺杂三维结构多孔碳纳米带，材料的多孔结构和氮元素的掺杂为催化还原电解液提供了丰富的电化学活性位点，使碳材料的性能得到明显改善，以镍网为基底，将其制作对电极应用于CdS/CdSe量子点电池中的光电转换效率达到了3.21%接近与硫化铅对电极4%的转换效率。
　　 基金项目：2018年大学生创新创业训练计划项目。
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