[發明專利]Cu2ZnSnS4敏化TiO2光陽極及其原位制備方法和應用

有效

• 申請號: 201510655769.1
• 申請日: 2015-10-12
• 公開（公告）號: CN105261483B
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 田原;錢天悅;肖竹君;李后興;王焱;黃守雙;宰建陶;錢雪峰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 陳亮

本發明涉及Cu₂ZnSnS₄敏化TiO₂光陽極及其原位制備方法和應用，包括負載在透明導電基底上的TiO₂層和附著在TiO₂層上的純相Cu₂ZnSnS₄納米晶，將銅鹽、鋅鹽、錫鹽、還原劑和修飾劑與硫源加入到聚四氟乙烯反應釜中，加入水進行溶解，再加入帶有TiO₂層的透明導電基底，控制溫度為100?200℃，原位生長反應1?24h，取出后洗滌干燥，即制備得到Cu₂ZnSnS₄敏化TiO₂光陽極。與現有技術相比，本發明操作步驟簡單，反應迅速，成本低廉，制得的Cu₂ZnSnS₄敏化二氧化鈦光陽極材料光電響應靈敏，可在光電傳感器、光電催化和太陽能電池等領域具有廣泛用途。

技術領域

本發明涉及太陽能電池材料制造領域，尤其是涉及一種Cu₂ZnSnS₄敏化TiO₂光陽極及其原位制備方法和應用。

背景技術

太陽能作為目前人類發現并利用的清潔能源之一，對地球提供的能量是巨大的，大約是現今人類每年消耗能量的1萬倍。如果人類能以太陽能作為主要能源，那么不僅人類面臨的能源危機可以解決，而且伴隨著傳統能源消耗的生態環境等次生問題亦可消除。自1954年硅太陽能電池開發以來，太陽能電池技術發展迅速。由于能源危機的加劇，人們對于可再生能源的依賴越來越強，促使以太陽能為代表的清潔能源利用技術快速發展，也使得對太陽能電池材料成為了研究焦點。但是，太陽能的利用還不是很普及，利用最早開發的單晶/多晶硅太陽能電極發電還存在制造成本高、轉換效率有限的問題。因而新型太陽能電池材料的探索已成為當前研究的重點之一。

自從1839年法國科學家Henri Becquerel發現CuO或AgX涂在金屬電極上產生光電效應以來,光電化學研究已經百年多的歷史。上世紀60年代,德國Tributsch 發現染料吸附在半導體上并在一定條件下產生電流的機理,成為光電化學電池的重要基礎。當1971年Honda和Fujishima用TiO₂電極光助電解水,獲得了氫氣,并把光能轉換為化學能而儲存起來,這才開始了具有實際意義上的光電化學電池的研究。但是傳統的TiO₂光陽極僅能利用太陽光中的紫外光，無法充分利用太陽能限制了其進一步的推廣應用。利用染料或窄禁帶半導體材料敏化TiO₂光陽極是拓展其光吸收范圍、提高太陽光利用效率的有效途徑之一；此外，敏化染料或半導體材料可以與TiO₂形成半導體異質結提升光生電子和空穴的分離效率，可進一步提高光電轉化或響應效果。

禁帶寬度1.5eV的Cu₂ZnSnS₄材料具有與太陽光譜匹配性好、不含劇毒元素對環境友好、成元素儲量豐富、制作成本低、大面積制備簡單、性能穩定等良好的性質，是一種很有發展前途的太陽能電池光陽極材料。近年來，Cu₂ZnSnS₄太陽電池已經受到人們的普遍重視，發展迅速，成為國際光伏界的研究熱點。目前制備 Cu₂ZnSnS₄的方法主要有脈沖激光沉積、磁控濺射、電化學沉積、噴霧熱解及溶解 -旋涂、高溫裂解法或乙二醇、乙二胺等有機物為溶劑的溶劑熱法。但制備Cu₂ZnSnS₄敏化的太陽能電池光陽極材料僅有一種采用溶劑熱的方法報道(Journal of Alloys and Compounds,2015,649,704)。但是該法所得CZTS為混合物，存在一定比例的 CuS雜質，會大大影響光生載流子的分離、增大復合幾率，降低光電轉化效率。同溶劑熱法相比，水熱合成法，具有成本極低、無毒、安全性高等的優點，但水熱合成法在該領域的發展十分滯后，基本沒有相關的報道。