[發明專利]一種硫屬化合物/金屬氧化物核殼納米柱陣列的制備方法

在審

• 申請號: 201510332316.5
• 申請日: 2015-06-16
• 公開（公告）號: CN105448525A
• 公開（公告）日: 2016-03-30
• 發明（設計）人: 王金斌;張苗;鐘向麗;田自然;宋宏甲
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及材料制備領域，尤其涉及一種硫屬化合物/金屬氧化物核殼納米柱陣列的制備，應用領域主要涉及量子點敏化太陽能電池領域。

背景技術

當今世界，無論是高度工業化的發達國家還是處在經濟迅速增長期的發展中國家，能源的需求都在與日俱增。然而對于煤、石油、天然氣等傳統能源的使用來說，現引起了嚴重的環境問題，新能源的開發迫在眉睫。在眾多新能源中，太陽能資源豐富，用途廣泛，并已經成為一種極具潛力的市場化的替代能源。而且研究發現，太陽照射到地球表面一小時所產生的能量(4.3×10²⁰J)足夠全球人類一年的能量消耗(4.1×10²⁰J)，其中低成本、高效率的太陽電池的引入使得太陽光能量的俘獲變得相當的容易。

太陽能電池作為一種清潔能源備受人們關注。而以量子點技術為基礎的量子點敏化太陽電池由于敏化劑的量子尺寸效應與多激子效應等眾多優點，引起人們很大的興趣。在這個領域當中，量子點與寬帶隙半導體納米結構之間的連接和相互作用，以及量子點吸附量對電子的傳輸和復合動力學及光電轉化效率有很大的影響。因而量子點在金屬氧化物半導體納米結構上的沉積方式對電池性能有很大的影響。量子點包覆金屬氧化物核殼納米結構(光陽極)的制備方法主要分為兩種：非原位法與原位法。非原位法為間接合成方式。首先在溶液中合成量子點，然后將納米半導體氧化物浸入到含有雙官能團的橋連分子的溶液中，其一端是羧基，與半導體氧化物薄膜相連；另一端是巰基，與量子點相連，化學吸附到氧化物上，也叫做自組裝方法。這一方法雖然可以精確控制量子點尺寸又能方便的對其表面鈍化，但是它本身存在兩個缺點：一方面，要獲得足夠多的量子點需要將半導體氧化物薄膜長時間的浸入到量子點溶液中，且覆蓋率很低；另一方面，連接基團的存在會對激發電子向氧化物的轉移過程產生阻礙作用，致使產生的光電流較低。原位法為直接合成方式，主要包括連續離子層吸附反應沉積法和化學水浴沉積法。化學水浴沉積是將電極浸入含有量子點反應的前驅體溶液中，沉積一定時間，在氧化物表面形成量子點；連續離子層吸附反應是在化學水浴沉積基礎上改進，將電極分別放在兩種離子鹽溶液中浸泡，這兩種方法可以實現較高的覆蓋率及結合性。但是，化學水浴沉積的反應環境經常是酸性或者堿性，這就對金屬氧化物有所限制。另外，化學水浴沉積反應速度慢，反應經常在一定的溫度條件下進行。連續離子層吸附反應過程繁瑣、周期長、重復性差、不利于大規模生產。同時，最近研究表明，金屬氧化物的一維納米柱陣列結構在量子點敏化太陽電池中展現了它的優勢：一維納米柱陣列結構可以為光生電子提供直接的運輸通路，從而降低電子與空穴的復合幾率；而且具有更大的比表面積，可以吸附更多的量子點；同時還能夠增強光的散射，提高對光的利用率。因此，一維納米柱陣列結構在量子點敏化太陽電池中有著很好的應用前景。然而，當采用連續離子層吸附反應與化學浴沉積這兩種方法在金屬氧化物納米柱陣列上生長金屬硫屬化合物量子點時，容易出現量子點在納米柱頂部聚集的現象，阻礙了電解液與納米柱陣列的接觸和電子空穴的傳輸，使得量子點敏化太陽能電池的光電性能降低，甚至失去性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種避免硫屬化合物在金屬氧化物納米柱頂部聚集且反應周期短、成本低、設備簡單、操作方便的硫屬化合物/金屬氧化物核殼納米柱陣列的制備方法。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

(1)將分析純的可溶性金屬鹽溶于去離子水中，配制成濃度為0.01~0.5mol/L的金屬鹽溶液；

(2)按照金屬鹽離子與緩釋性硫或硒源相同摩爾比例，向步驟(1)所述溶液中加入緩釋型硫或硒源，攪拌1~15分鐘，得到0.01~0.5mol/L的硫屬化合物的弱電離前驅體溶液；

(3)向上述弱電離前驅體溶液中滴加保護劑；

(4)在摻氟的二氧化錫透明導電玻璃上制備整齊排列的金屬氧化物納米柱陣列，將其浸入上述加入保護劑的弱電離前驅體溶液中；

(5)將步驟(4)所獲得的整體固-液系統置于超聲水浴環境中，利用超聲波誘導上述前驅體溶液產生高速微射流沖擊金屬氧化物納米柱，激發化學反應使得硫屬化合物在金屬氧化物納米柱表面形核、生長，同時振掉與納米柱陣列結合性不好的物質提高硫屬化合物在金屬氧化物納米柱表面的附著性；

(6)持續上述超聲過程3~30分鐘后，取出樣品，用去離子水沖洗1~2分鐘，放于干燥箱中干燥得到硫屬化合物/金屬氧化物核殼納米柱陣列結構。