[发明专利]低温原位构建BiOI/Bi2S3异质结薄膜及柔性光电化学太阳能电池器件

说明书

技术领域

本发明属于光电材料技术领域，尤其涉及一种在低温条件下原位、大面积制备的BiOI/Bi₂S₃异质结薄膜及柔性光电化学太阳能电池器件。

背景技术

人类对清洁能源的需求鼓舞着科研机构以新的、有效的方法去获取和存储太阳能。光电化学电池是一种能够利用光活性电极直接将光能转化为电能的液结太阳能电池，早在20世纪70年代Wrighton和Bard的课题组就描述了液结光电化学电池的结构示意图，然而，太阳能电池领域一直被固体结太阳能电池所主导——主要是硅基太阳能电池。直至1991年，Brian O’Regan和Michael对染料敏化光电化学太阳能电池（DSSC）的引进使得固体结电池的主导地位受到挑战，因为该种电池利用了纳米颗粒的大比表面积来增加光的吸收和利用染料分子来扩大光谱响应范围。在最近20年，染料敏化光电化学太阳能电池也得到了快速的发展，目前DSSC的最高效率是2011年由Aswani Yella,Hsuan-Wei Lee和Michael等人发表在Science上的12.3%，该电池使用了卟啉染料来敏化TiO₂，并且使用了Co(Ⅱ/Ⅲ)基氧化还原电解液。然而，由于TiO₂纳米晶的制备需要高温热处理以及TiO₂需要用到昂贵的染料来敏化，因此，亟需开发其它窄带隙半导体来制备更加廉价的光电化学太阳能电池。

碘化氧铋（BiOI）是一种p型半导体，带隙为1.8eV左右，其吸收光谱、反射光谱、拉曼光谱和荧光光谱早已被人们所研究。由于其合适的带隙、低廉的价格以及环境友好等性质，BiOI被广泛用作光催化剂降解有机污染物、染料和电化学储氢材料。2009年，赵昆等在Electrochemistry Communication杂志上发表了题为The first BiOI-based solar cells（第11卷，612-615页）的文章，该文中以摩尔比为1:1的硝酸铋和碘化钾为反应物，乙二醇为溶剂，在不锈钢反应釜中160摄氏度下反应12小时，制备得到BiOI纳米球粉末，之后再以壳聚糖溶液作为粘结剂，将BiOI壳聚糖混合物滴至铟掺杂氧化锡（ITO）导电玻璃上，真空干燥后得到光活性电极。以含碘的碳酸丙烯酯溶液作为电解液，喷铂的ITO玻璃作为对电极，组装得到第一个基于BiOI的光电化学电池。该方法中BiOI在160摄氏度水热条件下进行制备，且最后组装所得到电池的光电转化效率也不理想（约0.004%）。

2010年和2013年，王克伟相继在Electrochemistry Communications和Materials Letters杂志上分别发表了题为Crossed BiOI flake array solar cells和Facile construction of low-cost flexible solar cells with p-type BiOI nanoflake arrays fabricated via oriented attachment的文章（分别为第12卷，1764-1767页和第92卷，354-357页）。这两篇文章分别在氟掺杂氧化锡（FTO）玻璃和铟掺杂氧化锡（ITO）柔性基底上以连续离子层吸附和反应法（SILAR）在室温条件下大面积制备了BiOI纳米片。具体步骤是：将导电基底依次浸渍在5mM的硝酸铋水溶液、去离子水、5mM的碘化钾水溶液和去离子水中各10秒钟，重复若干次，得到的BiOI薄膜在室温下干燥后作为工作电极，并以含碘的3-甲氧基丙腈溶液作为电解液，喷铂的FTO玻璃和ITO柔性基底作为对电极，组装得到BiOI基光电化学太阳能电池，但是单独的BiOI作为光活性材料，由于其激发的电子和空穴得不到有效分离，所以其光电转化效率仍较低。