[發明專利]一種具有寬譜帶吸收的無機半導體敏化TiO2薄膜及制備方法

無效

• 申請號: 201210421655.7
• 申請日: 2012-10-26
• 公開（公告）號: CN102938330A
• 公開（公告）日: 2013-02-20
• 發明（設計）人: 丁旵明;梁培培;徐傳粉
• 申請（專利權）人: 華東師范大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042;C01G23/053
• 代理公司: 上海藍迪專利事務所 31215
• 代理人: 徐筱梅;張翔

技術領域

本發明涉及納米材料制備技術和太陽能光電轉換研究領域，具體地說是在TiO₂納米線陣列薄膜上，用離子置換法制備出多種窄能帶隙無機半導體納米晶共同敏化的TiO₂納米線陣列薄膜，從而使該薄膜對太陽光不同波段范圍均有響應。

背景技術

隨著工業的發展，能源短缺和環境污染問題日益突出，發展出清潔、高效、無污染的可再生型能源迫在眉睫。目前，可利用的再生能源主要有風能、太陽能、水能等。太陽能因其能量儲備豐富、使用方便、成本低等優點成為研究的重要領域，其中太陽能的光電轉化，即太陽能電池的研究成為重中之重。

近年來，染料敏化太陽能電池因其低成本、結構簡單、轉換效率較高而引起科學家們極大地興趣。但是有機敏化染料性質不穩定、易脫落、價格昂貴，因此無機納米半導體材料被提了出來。和傳統染料相比，無機納米半導體材料可通過改變粒子的尺寸和形狀來調節粒子的光吸收范圍，且具有更大的消光系數和更好的光化學穩定性。

TiO₂納米晶被廣泛的應用于無機半導體敏化太陽能電池中。在基底上制備TiO₂薄膜的方法很多，包括電化學沉積法、水熱合成法、陽極氧化法等。其中水熱法制備的一維TiO₂納米線陣列因為具有降低光生電子-空穴的復合幾率、比表面積大等優點而得到進一步的發展。大量研究表明，一種無機半導體敏化的一維TiO₂納米線陣列由于受到了量子點聚合、填裝密度、有機連接劑的影響，敏化太陽能電池光電轉換效率并不高。而使用兩種或兩種以上具有不同能帶隙的無機半導體共同敏化TiO₂，可以使光吸收范圍得到拓寬。同時，使用離子置換法制備無機半導體敏化層，可以消除連接劑的影響，使敏化層與TiO₂緊密接觸，有助于光生載流子的轉移和流動。這些措施都將有利于提高敏化太陽能電池的光電轉換效率。

發明內容

本發明的目的是針對現有有機染料TiO₂敏化太陽能電池穩定性較差、光吸收范圍較窄等問題，提供一種可以把光吸收范圍拓展到整個可見光區甚至紅外區的具有寬譜帶吸收特征的無機半導體敏化TiO₂薄膜。

實現本發明目的的具體技術方案是：

一種具有寬譜帶吸收的無機半導體敏化TiO₂薄膜，特點是：該薄膜由多種具有不同窄能帶隙的無機半導體納米晶共同敏化的TiO₂納米線陣列組成，并在TiO₂納米線表面形成一種梯度能帶隙覆蓋層，該覆蓋層對太陽光不同波段范圍均有響應；其該薄膜具體結構為：TiO₂納米線/窄能帶隙無機半導體I/窄能帶隙無機半導體II/窄能帶隙無機半導體III，以此類推；其中窄能帶隙無機半導體I的能帶隙小于TiO₂且導帶能量高于TiO₂，窄能帶隙無機半導體II的能帶隙小于窄能帶隙無機半導體I且導帶能量高于窄能帶隙無機半導體I，窄能帶隙無機半導體III的能帶隙小于窄能帶隙無機半導體II且導帶能量高于窄能帶隙無機半導體II，以此類推。

所述的窄能帶隙無機半導體為鋅(Zn)、鎘(Cd)、汞(Hg)、銅(Cu)、銀(Ag)、錫(Sn)、鉛(Pb)或鉍(Bi)金屬的硫(S)化物，或者為硒(Se)化物或碲(Te)化物。

一種上述具有寬譜帶吸收的無機半導體敏化TiO₂薄膜的制備方法，該方法包括以下具體步驟：

a、利用水熱合成法在摻氟的SnO₂?(FTO)導電玻璃上制備TiO₂納米線陣列薄膜；（具體制備過程可參考《美國化學會》,2009,?131:3985–3990的“定向生長在透明導電基底上單晶金紅石TiO₂納米棒在染料敏化太陽能電池中的應用”）；

b、采用溶液沉積法在TiO₂納米線表面包覆一層ZnO層，干燥、煅燒后得到TiO₂/ZnO納米線陣列薄膜；

c、在惰性氣體保護下，采用離子置換法將TiO₂/ZnO薄膜中ZnO層全部置換成窄能帶隙無機半導體I層，得到TiO₂/窄能帶隙無機半導體I納米線陣列薄膜；