[发明专利]双壳层ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及是一种半导体纳米材料技术领域，特别是ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极及其工艺制备。 

背景技术

自1991年以来，Gratzel研究小组[[1] B.Oregan, M.Gratzel. Nature.1991.VOL 353. 737～740]在Nature杂志上报道了一种能量转化效率高达7.1% 的新型染料敏化纳米晶多孔半导体薄膜太阳能电池(简称为DSSC)。DSSC，也被称为Gratzel电池，以其具有成本低廉、制作工艺简单以及性能稳定等优点成为太阳能研究领域的一个热点。目前,有机染料作为敏化剂所取得的效率最高,但由于有机染料存在价格昂贵、性质不稳定、在电解液中易脱落等缺点,限制了其在敏化电池上的应用。无机纳米半导体材料制备方法简单廉价,且由于其特殊的尺寸效应及其较大的消光系数,多激子效应成为一种可取代有机染料分子的光敏材料，而最常用的无机半导体材料包括PbS、Ag₂S、ZnS、CdTe、ZnSe、Sb₂S₃、InP和Bi₂S₃，通常利用这些半导体材料作为量子点或纳米晶来敏化一维纳米阵列电极，其中包括ZnO和TiO₂，两者禁带宽度适宜，化学和光稳定性好，且有高的光透过率，是无机半导体敏化太阳能电池（简称为SSSC）结构的重要电极，在这些光敏材料中CdTe与太阳光谱最相匹配，有较高的光学系数和较窄的带隙，更有利于提高光的吸收率。但是量子点或纳米晶敏化一维纳米电极时，载量是有限的，并在量子点(或纳米晶)/电解液界面及ZnO/量子点(或纳米晶)界面处的电子复合损失严重，进而影响到光电化学性能。为了解决这些问题，研究者开始选择一种氧化物纳米阵列（核）/半导体（壳）结构（即纳米电缆）电极。如ZnO/CdTe纳米电缆阵列电极构成的太阳能电池，饱和光电流密度达到了6mA/cm²[[2] Xina Wang, Haojun Zhu, Yeming Xu,Hao Wang, Yin Tao, Sui kong Hark, Xudong Xiao, Quan Li. ACSNANO 2010.vol.4.No.6]。此外，TiO₂/CdS/CdSe/ZnS结构通过CdS和CdSe之间的接触来校准费米能级和利用CdS/CdSe界面处的能级重排效应来抬高CdSe的导带底能级，从而更利于电子的前向传输，ZnS作为保护层来降低CdSe/电解液界面处的电子复合，提高了光电性能，使得电池的饱和光电流密度～14 mA/cm²，效率为3.44%[[3]Hyo Joong Lee, Jiwon Bang, Juwon Park, Sungjee Kim, Su Moon Park. Chem.Mater. 2010.22.5636-5643]。但是，目前多层敏化技术还局限于CdSe和CdS的共敏化体系，而CdTe参与的共敏化技术很少涉及。总之，现有的敏化技术还存在一系列的缺陷主要有，制备工艺较复杂，不易掌控和重复，吸收光谱的范围有限以及电解液与量子点长时间接触导致的化学稳定性较差。 

较之现有技术存在的不足，本发明人在总结现有技术的基础上，在ZnO/CdTe纳米电缆上钝化一层ZnS，以达到防止CdTe在电解液中被腐蚀，进而导致光电化学性质不稳定。经过大量的工艺完善后，终于完成了本发明。 

本发明采用三步法制备ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极，首先是采用水热法在ITO玻璃衬底上制备ZnO纳米线阵列；然后利用电化学沉积工艺制备CdTe纳米壳层；最后通过SILAR法制备ZnS外层。这种制备工艺既实现了CdTe纳米晶在ZnO表面的连续分布从而降低电极与电解液间的电子复合损失，又能灵活控制CdTe和ZnS的载量及厚度。并且，二者的有很好的浸润性和工艺兼容性，较容易获得较高的CdTe/ZnS界面质量，这对电子沿纳米电缆径向的传输非常有利。同时，ZnS也对CdTe起到钝化作用，防止电解液腐蚀电极。因此，我们提出的ZnO/CdTe/ZnS双壳层纳米电缆电极既能有效克服界面缺陷，又大大改善了光电化学性能。 

发明内容

本发明的目的是为克服上述技术的不足，为无机半导体敏化太阳能电池（简称为SSSC）提出一种双壳层ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极结构及其制备工艺，进一步提高太阳能电池的性能，促进太阳能电池的应用。