[发明专利]一种ZnO/CdS/Cu2ZnSnS4 pn 结纳米棒阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米棒阵列的制备领域，特别涉及一种ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄pn结纳米棒阵列的制备方法。

背景技术

近年来，一维纳米结构材料因其与块体材料所不同的独特光学、电学性质，引起了人们广泛的兴趣。它们不仅提供了一个研究低维物体物理性质的理想体系，也是构筑纳米级电子、光子器件的重要结构单元。

Cu₂ZnSnS₄是一种p型直接带隙半导体材料，室温下其禁带宽度约为1.5eV，是单结太阳能电池的最优带隙并具有比较大的光吸收系数（>10⁴cm^-1），是理想的太阳能电池吸收层材料。目前，Cu₂ZnSnS₄纳米结构的研究方面已经取得了一定的进展，在发光二极管、太阳能电池或其它光电器件上有着潜在的应用前景。CdS是一种n型直接带隙半导体材料，室温下其禁带宽度约为2.42eV。目前，CdS纳米结构的研究方面已经取得了一定的进展，在非线性光学器件、发光二极管和太阳能电池等方面有着潜在的应用前景。它在传统Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池中充当过渡层。ZnO是一种n型直接宽带隙半导体材料，室温下其禁带宽度约为3.37eV并且具有可观的激子束缚能（60meV）。目前，ZnO纳米结构的研究方面已经取得了一定的进展，在光催化剂、压电器件、发光二极管、太阳能电池等方面有着潜在的应用前景。它在它在传统Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池中充当窗口层。ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄结构是Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池的典型结构，常采用工艺复杂的真空方法制备，而且目前有效电池面积非常小，这制约其商业化应用的进程。因此探索一种非真空简单易行的方法制备ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄异质结结构，特别是将传统ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄异质结结构中的ZnO薄膜用ZnO纳米棒取代，由于ZnO纳米棒阵列拥有比ZnO薄膜更加优越的性能，如更大的比表面积、更好的电子传输性能和避免了ZnO颗粒间的电子复合损失，有助于进一步提高Cu₂ZnSnS₄基薄膜太阳能电池的光电转换效率，这对于Cu₂ZnSnS₄薄膜太阳能电池技术领域具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄pn结纳米棒阵列的制备方法，该发明方法制备工艺简单易行，在常压下采用易于大规模生产的溶液法，重复性好，克服了真空法制备ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄pn结纳米棒阵列的困难且稳定性好；所得产物有望大大推进基于Cu₂ZnSnS₄基光伏器件的发展。

本发明的一种ZnO/CdS/Cu₂ZnSnS₄pn结纳米棒阵列的制备方法，包括：

（1）将玻璃衬底浸入Zn(CH₃COO)₂·2H₂O的乙醇溶液30~60s，取出后冲洗，退火，自然冷却至室温，重复以上操作，得覆盖有ZnO种子层的基底；

（2）将Zn(NO₃)₂·6H₂O的水溶液和六次甲基四胺HMTA的水溶液按体积比1:1混合，然后转入放有均匀ZnO种子层基底的反应釜中，进行水热反应，得到ZnO纳米棒阵列，退火，自然冷却至室温；

（3）将ZnO纳米棒阵列首先浸入到硝酸镉的乙醇溶液2~4分钟，取出后冲洗，再浸入硫化钠的甲醇溶液2~4分钟，取出后冲洗，以上操作为一个循环，重复此循环，退火，自然冷却至室温，得到ZnO/CdS芯/鞘纳米棒阵列；