[发明专利]一种光电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光电转换领域，涉及采用宽禁带半导体纳米管/线阵列膜的光电极，具体涉及一种利用窄禁带半导体材料改善其光电转换效率的方法。

背景技术

目前，在光电化学太阳能电池研究领域，利用纳米尺度的氧化物半导体材料如TiO₂、ZnO、SnO₂等作为光电极因具有良好的应用前景而成为研究热点，其中纳米TiO₂更由于其廉价、稳定、无毒的优点而成为使用最普遍的材料。氧化物半导体一般是宽禁带半导体(Eg≥3.0eV)，具有很好的光稳定性能，但存在的问题是光电能量转换效率较低。研究显示，二氧化钛纳米管阵列结构由于其规则的排列，具有很好的电子传输通道及电子收集效率，但二氧化钛禁带宽度比较大，不利于对太阳光中可见光能量的吸收，采用窄禁带半导体(Eg≤2.0eV)敏化能够很大程度的改善二氧化钛光电极的光吸收效率。中国专利申请公布说明书CN101393938A公开了一种光电极，利用化学沉积法将窄禁带量子点填充到宽禁带半导体纳米管/线阵列膜中，从而提高其光电转换效率，但化学沉积法操作复杂，反应条件不易控制，不利于在工业生产中实际应用。

另一方面，近空间升华(Close Spaced Sublimation，CSS)技术由于具有沉积速率高、设备简单、生产成本低等优点，被应用于一些半导体薄膜的制备中，例如采用近空间升华法制备CdTe多晶薄膜。但利用近空间升华法将敏化剂引入氧化物半导体纳米阵列膜，从而制备光电极的技术还未见报道，对沉积过程中温度和气压等因素的控制也有待于进一步研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的方法将窄禁带半导体材料引入宽禁带半导体纳米阵列膜中，从而获得具有高光电转换效率的光电极。

本发明的技术方案如下：

一种光电极的制备方法，首先在导电基底上制备宽禁带半导体纳米管或纳米线阵列，然后在减压条件下利用近空间升华法将窄禁带半导体纳米颗粒填充到宽禁带半导体纳米管或纳米线阵列中，得到窄禁带半导体和宽禁带半导体异质结薄膜光电极。

本发明所述的宽禁带半导体选自TiO₂、ZnO、SnO₂、ZrO₂和Fe₂O₃等材料中的一种或多种，所述宽禁带半导体纳米管或纳米线阵列是这些材料在导电基底上形成的纳米管或纳米线阵列薄膜。宽禁带半导体纳米管或纳米线阵列的制备方法包括但不限于阳极氧化法、水热法、模板法、化学气相沉积法等，根据材料的不同选择其适宜的方法，例如用阳极氧化法制备二氧化钛纳米管阵列。

本发明所述的窄禁带半导体选自CdS、CdSe、CdTe、PdS、PbSe、PdTe、Bi₂S₃、Bi₂Se₃、Bi₂Te₃、ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、InAs、InGaAs和InP等材料中的一种或多种。

近空间升华法的具体实施可以是：将宽禁带半导体纳米阵列结构开口朝下悬于管式炉中，其下方放置窄禁带半导体材料(通常为粉末状)，在低于大气压的氮气和/或惰性气氛(例如氩气)下加热使窄禁带半导体材料升华并沉积到宽禁带半导体纳米管或纳米线阵列中。

为了保护宽禁带半导体纳米阵列不受破坏，本发明在减压的条件下(即低于大气压的氮气和/或惰性气氛中)进行近空间升华，从而降低使窄禁带半导体材料升华的所需的温度，工作气压一般是在≤5KPa，根据沉积材料及作为沉积基底的纳米管或纳米线阵列材料的不同，选择不同的工作温度，例如，将CdS沉积到二氧化钛纳米管阵列中，是在500Pa-600Pa的气压下加热CdS至500℃-650℃。待窄禁带半导体蒸气达到饱和状态后停止加热，蒸气自然冷却，沉积到宽禁带半导体纳米管或纳米线阵列中，形成窄禁带半导体纳米颗粒。这里需要说明的是，在现有技术中利用近空间升华方法时，一般需要分别控制源和基底的温度，如沉积材料(即源)的温度在500℃-650℃，基底一般比源低50℃-100℃以利于源蒸气单向运动。而在本发明中，由于作为基底的是纳米管或纳米线阵列模板，对源蒸气有一定的限制作用，不需要对基底的温度单独控制。