一种具有核壳结构的量子点及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有核壳结构的量子点，同时还公开了一种量子点的制备方法。该具有核壳结构的量子点具有以硫化镉材料为核，以亚硫酸镉材料为壳的核壳结构，通过水热合成法制得。本发明专利技术提供的具有核壳结构的量子点其核的尺寸为3～6nm，壳层的厚度为0.1～0.5nm，结晶完美，具有稳定性高、荧光发射峰形好、最大发射峰位稳定等优点。本发明专利技术提供的具有核壳结构的量子点的制备方法采用水热合成法，不仅克服了目前水法制备所得量子点结构缺陷多、化学稳定欠佳、荧光发射性能不好等缺点，同时也避免了金属有机法的毒性与高成本，且制备方法简单、易操作、成本低，并且利用本发明专利技术的水热合成法，可制备出粒度可调控的具有核壳结构的量子点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光伏电池用纳米材料
，具体涉及。
技术介绍
太阳提供给我们可以利用的能量大约为100，000兆兆瓦，这个数据约为目前地球能源消耗速度的10，000倍。光伏电池正越来越多地被用于开发这一巨大的能源资源，并将在未来可持续能源系统中发挥关键的作用。但由于目前通过光伏电池将太阳能直接转换为电力的成本过高，例如其成本是核能的5 10倍，是初级化石能源的25 50倍，因此成本过高这一问题一致阻碍着光伏电池产业的迅猛发展。近来有试验表明，基于纳米技术的量子点新技术可显著提高光伏电池的光电转换效率，因此可有效降低通过光伏电池将太阳能直接转换为电力的成本，提升太阳能发电技术的竞争力。美国国家再生能源实验室的高级研究员Nozik，A. J.认为，量子点技术的光伏太阳能电池光电转换效率可达42%，远高于目前的硅基太阳能电池(约18%)。美国能源部国家实验室的科学家发现，半导体量子点材料具有优越的光电特性，量子点材料受高能光子撞击时释放电子的数量是硅半导体材料的2倍以上，最高可达7倍，这意味着光电转化效率能够得到大幅度的提高，降低太阳能电池的发电成本。不仅如此，由于量子点材料可以通过简单的化学反应得到，其材料价格将非常低廉。量子点，又可称为纳米晶，是科学家自上世纪90年代以来一直潜心研究的半导体纳米材料新技术。通俗地说，量子点就是具有量子限域效应的金属或半导体纳米颗粒材料。 量子点应用领域研究主要集中于生物领域，即量子点在细胞、组织成像以及免疫分析检测方面的研究，近来开始探索量子点在太阳能电池领域的应用，主要就是提高太阳能电池的光电转换效率，以降低发电成本。光伏电池对量子点提出了以下要求(1)选用的量子点在紫外光 可见光范围内具有超强的吸收，然后转化发射出硅基太阳能电池强吸收范围的光波(蓝绿光)或者直接发射多个电子；(2)量子点光物理和光化学性质稳定，并且寿命长。目前的量子点由于尺寸小、比表面积巨大，因此容易被氧化及其它原因变质，寿命最多半年。国际上现在多采用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法制备光伏电池改性用量子点纳米薄膜涂层，且多为硅纳米晶量子点。这种技术复杂，比较依赖设备，且成本贵。国内采用量子点技术对光伏电池进行改性研究发展较快，但主要还是模拟美国能源部硅基纳米晶量子点制备路线，采用偏物理及倚重仪器设备的化学气相沉积法(CVD，多为PECVD)得到硅基纳米晶。近年来，在国家自然科学基金中也出现了像浙江理工大学崔灿等的“阵列化半导体量子点的制备及其在太阳电池中的应用”这样的项目，进行了物理法或化学气相沉积法制备量子点并用于硅太阳能电池改性方面的研究。此外，化学法合成纳米晶量子点(一般量子点，非核壳结构)用于敏化太阳能电池的研究也已见诸报道。但是，纯化学合成法合成核壳结构纳米晶，并直接将其用于提高硅太阳能电池光电转换效率的研究尚未见报道。基于新型材料纳米晶量子点对光伏太阳能电池光电转化效率有巨大提高的潜力， 研制新型的具有优良光电性能且使用寿命长的量子点，并将其用于纳米晶量子点硅基太阳能电池的研制不仅有一定的基础研究意义，而且对将来开发高光电转换效率量子点太阳能电池具有重要的实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光电性能优良、使用寿命长的具有核壳结构的量子点ο本专利技术的目的还在于提供一种量子点的制备方法。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是一种具有核壳结构的量子点， 该量子点具有以硫化镉材料为核，以亚硫酸镉材料为壳的核壳结构。所述量子点的核的粒径为3 6nm，壳层的厚度为0. 1 0.5nm。所述量子点的荧光激发峰Xex max位于355 362nm,发射峰λ em max位于4似 472nm。在本专利技术提供的具有核壳结构的量子点的X射线粉晶衍射(XRD)图谱中发现两套晶体参数一为六方结构的硫镉矿(Greenockite)的XRD谱，另一则是单斜原始格子的亚硫酸镉XRD谱，分别对应核心与壳层物质，硫化镉为核心，亚硫酸镉为外围壳层。本专利技术提供的具有核壳结构的量子点的性质优于简单的裸硫化镉量子点，裸硫化镉量子点的表面直接受到外界环境影响，比如氧化作用，使其各项性质不稳定，包括化学稳定性和发射荧光的性质。核壳结构量子点由于壳层的存在，可以有效保护核心，封闭外界的各种作用，使其性质稳定，稳定性大为增强，内部核表面结构缺陷少，对光的吸收与发射稳定，使用寿命长，为其使用带来了便利。并且由于壳层材料为亚硫酸镉，具有强的抗氧化能力，因此本专利技术提供的量子点的寿命寿命明显延长。一种具有核壳结构的量子点的制备方法，以醋酸镉和硫源为原料，将原料溶于水中配制成反应溶液，其中醋酸镉在反应溶液中的浓度为5 54. 5mmol/L，硫源在反应溶液中的浓度为4. 5 56. 5mmol/L，之后将反应溶液的pH值调为9 13，然后在高压釜内开始进行反应，反应温度控制为110 150°C，反应压力控制为1 3个大气压，反应时间为3 5小时，反应所得沉淀即为具有核壳结构的量子点，该沉淀为黄色沉淀。所述原料中Cd/S的摩尔比为0. 77 ( Cd/S < 1. 0。所述硫源为L-半胱氨酸、硫脲或3-巯基丙酸。本专利技术提供的具有核壳结构的量子点的制备方法是通过提供高温高压的动力学条件，控制硫化镉/亚硫酸镉晶体成核速率与生长速率的相对大小而得到尺寸大小可控的具有核壳结构的硫化镉/亚硫酸镉量子点。在研究过程中发现，调控硫化镉/亚硫酸镉量子点尺寸的因素主要有原料种类、原料配比、反应物浓度、反应混合物的PH值。影响具有核壳结构的量子点产品的荧光发射性能的因素主要有反应混合物的PH值、量子点的晶型、高温高压停留时间。影响产品稳定性的因素除了避光保存外，主要与壳层的厚度尺寸有关。在本专利技术提供的制备方法中，当原料中Cd/S的摩尔比Cd/S < 0. 77时，形成的亚硫酸镉壳层太厚，大于0. 5nm，生成的量子点的化学稳定性虽然很高，但是其荧光发射性能下降；当原料中Cd/S的摩尔比Cd/S ^ 1. 0时，得不到亚硫酸镉壳层，核心硫化镉不能得到有效的保护，制得的量子点的稳定性差。本专利技术提供的具有核壳结构的量子点通过先成核、后包壳的过程在高压反应釜内一次反应生成。具体而言，本专利技术选用的原料种类为镉源采用醋酸镉，硫源采用L-半胱氨酸、硫脲或3-巯基丙酸。硫源优选L-半胱氨酸，使用L-半胱氨酸非常利于控制反应溶液的粘度及硫源的存在形态，进而便于控制制得的量子点尺寸。最优选醋酸镉和L-半胱氨酸作为反应原料，因为无需洗涤等进一步处理，制得的量子点具有较好的荧光发射性能。原料配比是影响量子点尺寸的最主要因素之一，Cd/S摩尔比控制为0. 77彡Cd/S < 1.0较为适宜。反应物在反应溶液中的浓度对量子点尺寸的影响也是非常明显的。反应物浓度的增大有利于体系粘度的升高，也能使量子点尺寸变小，但浓度过高，如醋酸镉在反应溶液中的浓度超过54. 5mmol/L，硫源在反应体系中的浓度超过56. 5mmol/L，则生成的量子点团聚现象明显，制得的量子点产品还需进一步分离；相反，浓度如果太低，如醋酸镉在反应溶液中的浓度低于5mmol/L，硫源在反应溶液中的浓度低于4. 5mmol/L，则得到大颗粒的产品 (大于lOnm)，而本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种具有核壳结构的量子点，其特征在于，该量子点具有以硫化镉材料为核，以亚硫酸镉材料为壳的核壳结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：许荣辉，文九巴，贾江议，李海涛，赵飞，韩金波，尚兴记，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：41