[发明专利]Cu2ZnSnS4敏化TiO2光阳极及其原位制备方法和应用

说明书

本发明涉及Cu₂ZnSnS₄敏化TiO₂光阳极及其原位制备方法和应用，包括负载在透明导电基底上的TiO₂层和附着在TiO₂层上的纯相Cu₂ZnSnS₄纳米晶，将铜盐、锌盐、锡盐、还原剂和修饰剂与硫源加入到聚四氟乙烯反应釜中，加入水进行溶解，再加入带有TiO₂层的透明导电基底，控制温度为100‑200℃，原位生长反应1‑24h，取出后洗涤干燥，即制备得到Cu₂ZnSnS₄敏化TiO₂光阳极。与现有技术相比，本发明操作步骤简单，反应迅速，成本低廉，制得的Cu₂ZnSnS₄敏化二氧化钛光阳极材料光电响应灵敏，可在光电传感器、光电催化和太阳能电池等领域具有广泛用途。

技术领域

本发明涉及太阳能电池材料制造领域，尤其是涉及一种Cu₂ZnSnS₄敏化TiO₂光阳极及其原位制备方法和应用。

背景技术

太阳能作为目前人类发现并利用的清洁能源之一，对地球提供的能量是巨大的，大约是现今人类每年消耗能量的1万倍。如果人类能以太阳能作为主要能源，那么不仅人类面临的能源危机可以解决，而且伴随着传统能源消耗的生态环境等次生问题亦可消除。自1954年硅太阳能电池开发以来，太阳能电池技术发展迅速。由于能源危机的加剧，人们对于可再生能源的依赖越来越强，促使以太阳能为代表的清洁能源利用技术快速发展，也使得对太阳能电池材料成为了研究焦点。但是，太阳能的利用还不是很普及，利用最早开发的单晶/多晶硅太阳能电极发电还存在制造成本高、转换效率有限的问题。因而新型太阳能电池材料的探索已成为当前研究的重点之一。

自从1839年法国科学家Henri Becquerel发现CuO或AgX涂在金属电极上产生光电效应以来,光电化学研究已经百年多的历史。上世纪60年代,德国Tributsch 发现染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理,成为光电化学电池的重要基础。当1971年Honda和Fujishima用TiO₂电极光助电解水,获得了氢气,并把光能转换为化学能而储存起来,这才开始了具有实际意义上的光电化学电池的研究。但是传统的TiO₂光阳极仅能利用太阳光中的紫外光，无法充分利用太阳能限制了其进一步的推广应用。利用染料或窄禁带半导体材料敏化TiO₂光阳极是拓展其光吸收范围、提高太阳光利用效率的有效途径之一；此外，敏化染料或半导体材料可以与TiO₂形成半导体异质结提升光生电子和空穴的分离效率，可进一步提高光电转化或响应效果。

禁带宽度1.5eV的Cu₂ZnSnS₄材料具有与太阳光谱匹配性好、不含剧毒元素对环境友好、成元素储量丰富、制作成本低、大面积制备简单、性能稳定等良好的性质，是一种很有发展前途的太阳能电池光阳极材料。近年来，Cu₂ZnSnS₄太阳电池已经受到人们的普遍重视，发展迅速，成为国际光伏界的研究热点。目前制备 Cu₂ZnSnS₄的方法主要有脉冲激光沉积、磁控溅射、电化学沉积、喷雾热解及溶解 -旋涂、高温裂解法或乙二醇、乙二胺等有机物为溶剂的溶剂热法。但制备Cu₂ZnSnS₄敏化的太阳能电池光阳极材料仅有一种采用溶剂热的方法报道(Journal of Alloys and Compounds,2015,649,704)。但是该法所得CZTS为混合物，存在一定比例的 CuS杂质，会大大影响光生载流子的分离、增大复合几率，降低光电转化效率。同溶剂热法相比，水热合成法，具有成本极低、无毒、安全性高等的优点，但水热合成法在该领域的发展十分滞后，基本没有相关的报道。