[发明专利]一种具有宽谱带吸收的无机半导体敏化TiO2薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术和太阳能光电转换研究领域，具体地说是在TiO₂纳米线阵列薄膜上，用离子置换法制备出多种窄能带隙无机半导体纳米晶共同敏化的TiO₂纳米线阵列薄膜，从而使该薄膜对太阳光不同波段范围均有响应。

背景技术

随着工业的发展，能源短缺和环境污染问题日益突出，发展出清洁、高效、无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风能、太阳能、水能等。太阳能因其能量储备丰富、使用方便、成本低等优点成为研究的重要领域，其中太阳能的光电转化，即太阳能电池的研究成为重中之重。

近年来，染料敏化太阳能电池因其低成本、结构简单、转换效率较高而引起科学家们极大地兴趣。但是有机敏化染料性质不稳定、易脱落、价格昂贵，因此无机纳米半导体材料被提了出来。和传统染料相比，无机纳米半导体材料可通过改变粒子的尺寸和形状来调节粒子的光吸收范围，且具有更大的消光系数和更好的光化学稳定性。

TiO₂纳米晶被广泛的应用于无机半导体敏化太阳能电池中。在基底上制备TiO₂薄膜的方法很多，包括电化学沉积法、水热合成法、阳极氧化法等。其中水热法制备的一维TiO₂纳米线阵列因为具有降低光生电子-空穴的复合几率、比表面积大等优点而得到进一步的发展。大量研究表明，一种无机半导体敏化的一维TiO₂纳米线阵列由于受到了量子点聚合、填装密度、有机连接剂的影响，敏化太阳能电池光电转换效率并不高。而使用两种或两种以上具有不同能带隙的无机半导体共同敏化TiO₂，可以使光吸收范围得到拓宽。同时，使用离子置换法制备无机半导体敏化层，可以消除连接剂的影响，使敏化层与TiO₂紧密接触，有助于光生载流子的转移和流动。这些措施都将有利于提高敏化太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的是针对现有有机染料TiO₂敏化太阳能电池稳定性较差、光吸收范围较窄等问题，提供一种可以把光吸收范围拓展到整个可见光区甚至红外区的具有宽谱带吸收特征的无机半导体敏化TiO₂薄膜。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种具有宽谱带吸收的无机半导体敏化TiO₂薄膜，特点是：该薄膜由多种具有不同窄能带隙的无机半导体纳米晶共同敏化的TiO₂纳米线阵列组成，并在TiO₂纳米线表面形成一种梯度能带隙覆盖层，该覆盖层对太阳光不同波段范围均有响应；其该薄膜具体结构为：TiO₂纳米线/窄能带隙无机半导体I/窄能带隙无机半导体II/窄能带隙无机半导体III，以此类推；其中窄能带隙无机半导体I的能带隙小于TiO₂且导带能量高于TiO₂，窄能带隙无机半导体II的能带隙小于窄能带隙无机半导体I且导带能量高于窄能带隙无机半导体I，窄能带隙无机半导体III的能带隙小于窄能带隙无机半导体II且导带能量高于窄能带隙无机半导体II，以此类推。

所述的窄能带隙无机半导体为锌(Zn)、镉(Cd)、汞(Hg)、铜(Cu)、银(Ag)、锡(Sn)、铅(Pb)或铋(Bi)金属的硫(S)化物，或者为硒(Se)化物或碲(Te)化物。

一种上述具有宽谱带吸收的无机半导体敏化TiO₂薄膜的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

a、利用水热合成法在掺氟的SnO₂ (FTO)导电玻璃上制备TiO₂纳米线阵列薄膜；（具体制备过程可参考《美国化学会》,2009, 131:3985–3990的“定向生长在透明导电基底上单晶金红石TiO₂纳米棒在染料敏化太阳能电池中的应用”）；

b、采用溶液沉积法在TiO₂纳米线表面包覆一层ZnO层，干燥、煅烧后得到TiO₂/ZnO纳米线阵列薄膜；

c、在惰性气体保护下，采用离子置换法将TiO₂/ZnO薄膜中ZnO层全部置换成窄能带隙无机半导体I层，得到TiO₂/窄能带隙无机半导体I纳米线阵列薄膜；