无机/有机共敏化纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法

摘要

本发明属于太阳能电池领域，具体为无机/有机共敏化纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法，具体涉及为CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法。首先，采用标准三电极电化学沉积系统，在ITO透明导电玻璃上沉积ZnO种子层，再在硝酸锌和六次甲基四铵组成的生长溶液中生长ZnO纳米线，然后，采用SILAR工艺在ZnO纳米线上生长CdS量子点层，最后，用N3染料敏化ZnO/CdS核壳阵列，可得CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极。该工艺简单，反应温度低，环境友好，制备的CdS/N3共敏化的ZnO纳米线均匀，稳定，光电性能好。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体为无机/有机共敏化纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法，具体涉及为CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法。

技术背景

染料敏化纳米晶太阳能电池是由瑞士洛桑高等工业学院教授带领的研究团队与1991年提出的，染料敏化纳米晶太阳能电池的出现为太阳能电池的发展带来了革命性的创新，它所表现出来的光吸收率高、成本低廉、制造工艺简单、稳定性良好等优点使半导体光电化学电池成为人们研究的热点。染料敏化纳米晶太阳能电池主要由透明导电玻璃基底、光阳极(宽带隙n型多孔半导体材料TiO₂或一维ZnO纳米棒阵列)、敏化层(无机半导体或染料敏化剂)、电解质(液态电解质、准固态电解质或固态p型半导体)及对电极等构成。

在染料敏化纳米晶太阳能电池中，可以通过构筑敏化层与光阳极材料的复合结构来对光阳极材料进行修饰。其中，敏化层能够增加光子吸收，拓展激发波长的范围，同时，所构筑复合结构之间的梯度能级结构，还有助于光生电子-空穴对的分离，进而提高NPC电池的光电转换效率。常用的敏化层有无机半导体光吸收材料(如CdSe、CdS、In₂S₃及CuInS₂等)和染料(无机染料、天然染料、N3染料等)。

ZnO是一种典型的II-VI族直接带隙n型半导体材料，其禁带宽度在室温条件下为3.37eV，与常用的TiO₂有相似的能带结构，同样能满足染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极材料与染料分子或无机半导体光吸收层在能级匹配方面的要求；另外，ZnO具有比TiO₂更高的电子迁移率，能够在很大程度上减少光生电子-空穴对的复合，这一特性使得基于ZnO半导体的光阳极材料在电子传输方面具有很大的应用潜力；同时，ZnO的制备方法较多，其中，溶胶-凝胶法等溶液生长法的工艺条件比较温和、操作简单易行、制作成本较低。这些优点使ZnO逐步发展成为有望代替传统的TiO₂来作为染料敏化纳米晶太阳能电池光阳极的候选材料之一。然而，由于ZnO的带隙较宽(Eg=3.37eV)，光响应范围被限制在了仅占太阳光谱全部波长范围约4％的紫外光区，这在很大程度上影响了其在光伏器件上的实用性。另外，ZnO是一种两性氧化物，在溶液中能够稳定存在的pH为7～12，在酸性或碱性较强的介质中(如N3染料)容易发生光腐蚀现象，因此制约了单一ZnO在染料敏化纳米晶太阳能电池领域的应用。为了增强基于ZnO半导体的光阳极材料的实用性，人们针对以上问题做了大量的研究工作，而构筑核壳异质结构也被认为是解决上述问题的一种可行性较大的有效方法。

核壳异质结构包含至少两种材料，而外壳材料的包覆很有可能会改变内核半导体材料的光学性能(如光响应波长范围、光学稳定性等)，因此，核壳异质结构的构筑引起了人们的广泛关注。首先，在核壳异质结构纳米晶半导体中，外壳材料会作为一个屏障将具有一定光学特性的内核材料与外界介质隔离开，在一定程度上避免内核材料受到腐蚀。同时，根据外壳材料所具有的不同特性(如禁带宽度、光吸收特性等)，可以选择不同的外壳材料来对内核材料进行修饰以得到具有所需特性的材料。另外，外壳材料能够有效钝化内核材料的表面陷阱能级，极大提高材料的量子产率，而对于一些依靠光激发特性来工作的设备(如生物标签、光伏设备等)来说，较高的量子产率起着十分关键的作用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种无机/有机共敏化纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法。

一种无机/有机共敏化纳米线太阳能电池光阳极及其制备方法。具体为首先采用标准三电极电化学沉积系统，在ITO透明导电玻璃上沉积ZnO种子层，再在硝酸锌和六次甲基四铵组成的生长溶液中生长ZnO纳米线，然后，采用SILAR工艺在ZnO纳米线上生长CdS量子点层，最后，用N3染料敏化ZnO/CdS核壳阵列，可得CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极。

本发明还提出上述制备无机/有机共敏化纳米线太阳能电池光阳极的过程及相关工艺参数，具体如下：首先，以0.05mol/L～0.2mol/L的Zn(NO₃)₂水溶液为沉积液，在70℃～75℃水浴温度下，采用标准三电极电化学沉积系统，在-1.0V～-I.2V的电位下，在ITO透明导电玻璃上沉积50s～70s，可得ZnO种子层，将所得覆盖种子层的ITO导电玻璃浸渍到0.05mol/L～0.15mol/L的硝酸锌和六次甲基四铵组成的生长溶液中，在85℃～90℃下生长4h～6h，可得ZnO纳米线，然后，采用SILAR工艺在ZnO纳米线上生长CdS量子点层，将长有ZnO纳米棒薄膜的基底浸入0.1mol/L～0.3mol/L的Cd(NO₃)₂乙醇溶液中1min～3min进行表面吸附，在ZnO纳米线表面吸附Cd²⁺；然后将基底浸入乙醇中浸泡1min～3min进行清洗，再将基底浸入0.1mol/L～0.3mol/LNa₂S甲醇溶液中反应lmin～3min，待溶液中S^2-与Cd²⁺反应后再将衬底浸入甲醇中浸泡lmin～3min，除去多余的S²，重复上述循环20～40次，可得ZnO/CdS核壳阵列薄膜，最后，在50℃～60℃下将ZnO/CdS核壳阵列薄膜浸渍到0.3mM～0.5mM的N3染料乙醇溶液中12h～16h，用无水乙醇洗涤样品，可得CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极。

本发明的特点：

1、工艺简单，反应温度低，环境友好。

2、CdS/N3共敏化的ZnO纳米线均匀，稳定，应用后电池效率比N3单一敏化提高30％以上。

本制备工艺的使用方法如下：

1、典型ZnO种子层的制备及工艺参数：以0.05mol/L～0.2mol/L的Zn(NO₃)₂水溶液为沉积液，在70℃～75℃水浴温度下，采用标准三电极电化学沉积系统，在-1.0V～-1.2V的电位下，在ITO透明导电玻璃上沉积50s～70s，可得ZnO种子层。

2、典型ZnO纳米线的制备及工艺参数：将所得覆盖种子层的ITO导电玻璃浸渍到0.05mol/L～0.15mol/L的硝酸锌和六次甲基四铵组成的生长溶液中，在85℃～90℃下生长4h～6h，可得ZnO纳米线。

3、典型ZnO/CdS核壳阵列薄膜的制备及工艺参数：采用SILAR工艺在ZnO纳米线上生长CdS量子点层，将长有ZnO纳米棒薄膜的基底浸入0.1mol/L～0.3mol/L的Cd(NO₃)₂乙醇溶液中1min～3min进行表面吸附，在ZnO纳米线表面吸附Cd²⁺；然后将基底浸入乙醇中浸泡1min～3min进行清洗，再将基底浸入0.1mol/L～0.3mol/L Na₂S甲醇溶液中反应1min～3min，待溶液中S^2-与Cd²⁺反应后再将衬底浸入甲醇中浸泡1min～3min，除去多余的S²，重复上述循环20～40次，可得ZnO/CdS核壳阵列薄膜。

4、典型N3敏化ZnO/CdS核壳阵列的制备及工艺参数：在50℃～60℃下将ZnO/CdS核壳阵列薄膜浸渍到0.3mM～0.5mM的N3染料乙醇溶液中12h～16h，用无水乙醇洗涤样品，可得CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极。

具体实施方式

下面通过实施例进一步描述本发明。

实施例1

首先，以0.1mol/L的Zn(NO₃)₂水溶液为沉积液，在70℃水浴温度下，采用标准三电极电化学沉积系统，在-1.0V的电位下，在ITO透明导电玻璃上沉积50s，可得ZnO种子层，将所得覆盖种子层的ITO导电玻璃浸渍到0.05mol/L的硝酸锌和六次甲基四铵组成的生长溶液中，在90℃下生长4h，可得ZnO纳米线，然后，采用SILAR工艺在ZnO纳米线上生长CdS量子点层，将长有ZnO纳米棒薄膜的基底浸入0.1mol/L的Cd(NO₃)₂乙醇溶液中1min进行表面吸附，在ZnO纳米线表面吸附Cd²⁺；然后将基底浸入乙醇中浸泡1min进行清洗，再将基底浸入0.1mol/LNa₂S甲醇溶液中反应1min，待溶液中S^2-与Cd²⁺反应后再将衬底浸入甲醇中浸泡1min，除去多余的S²，重复上述循环30次，可得ZnO/CdS核壳阵列薄膜，最后，在50℃下将ZnO/CdS核壳阵列薄膜浸渍到0.3mM的N3染料乙醇溶液中16h，用无水乙醇洗涤样品。

按上述方法制备，可获得稳定的，较N3单一敏化电池效率提高30％以上的CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极。

实施例2

首先，以0.05mol/L的Zn(NO₃)₂水溶液为沉积液，在75℃水浴温度下，采用标准三电极电化学沉积系统，在-1.1V的电位下，在ITO透明导电玻璃上沉积60s，可得ZnO种子层，将所得覆盖种子层的ITO导电玻璃浸渍到0.05mol/L的硝酸锌和六次甲基四铵组成的生长溶液中，在85℃下生长6h，可得ZnO纳米线，然后，采用SILAR工艺在ZnO纳米线上生长CdS量子点层，将长有ZnO纳米棒薄膜的基底浸入0.2mol/L的Cd(NO₃)₂乙醇溶液中1min进行表面吸附，在ZnO纳米线表面吸附Cd²⁺然后将基底浸入乙醇中浸泡1min进行清洗，再将基底浸入0.2mol/LNa₂S甲醇溶液中反应1min，待溶液中S^2-与Cd²⁺反应后再将衬底浸入甲醇中浸泡1min，除去多余的S²，重复上述循环30次，可得ZnO/CdS核壳阵列薄膜，最后，在60℃下将ZnO/CdS核壳阵列薄膜浸渍到0.5mM的N3染料乙醇溶液中12h，用无水乙醇洗涤样品。

按前述方法制备，可获得稳定的CdS/N3共敏化ZnO纳米线太阳能电池光阳极。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的技术方案的范围内。