[发明专利]一种微米/纳米二级表面阵列及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于材料表面光吸收应用领域，具体涉及一种由Cu₂S“仙人掌”形成的微米/纳米二级阵列及其制备方法和用途，该“仙人掌”微纳二级阵列相比于平面纳米线阵列，具有更大的比表面积。该种结构在光的入射角度发生变化时，仍然保持良好的表面光吸收性能，可以广泛应用在光伏、光热能源转换领域。同时该种制备方法具有成本低、方法简单、适合大面积生长制备等优点。

背景技术

纳米材料的特殊性质往往与它的形貌和尺寸有很大关系，其中一维纳米材料尤其是一维半导体纳米阵列由于具有薄膜所不具备的优点，在光电转换应用中受到较多的关注。同薄膜半导体纳米材料相比，一维半导体纳米阵列具有以下优点：该阵列的晶体点阵择优取向能够减小点阵畸变，有效地减少光反射，从而增加对光的吸收；该阵列能够充分利用阵列直径较小，光线的吸收发生在阵列的轴向，且阵列之间的距离小于光波波长来增大对光的吸收；该阵列的比表面积大，能够增大载流子产生的几率，且载流子的输运发生在径向，减少了空穴和电子复合的几率，能够实现光电转换效率的大幅提高。

为了研究一维半导体纳米阵列在光电转换领域的应用，人们用不同的方法制备了多种半导体纳米阵列，如纳米线、纳米柱、纳米棒等，并对其光吸收性能、光电转换性能、光电化学性能等进行研究。如Inguanta等人利用一步电沉积方法制备的CIGS纳米线阵列，该结构有助于光电流性能的提高；Zhiyong Fan等人利用电镀结合VLS的方法制备出的顶端直径较小，底端直径较大的Ge纳米柱阵列，该阵列在波长300-900nm的平均吸收率高达99%，光吸收性能得到了较大提高；Tak等人利用在ZnO纳米线外层再通过离子层吸附反应沉积一层CdS的方法制备的ZnO/CdS core/shell结构，对其进行光电化学性能测试，发现该结构的最大能量转换效率达到了3.53%;Xinhong Zhao等人利用铜片热氧化得到CuO纳米线，再在纳米线上滴醋酸锌，加热得到的CuO/ZnO core/shell结构，光解制氢效率最大可达0.71%。但利用这些方法制备的一维半导体纳米阵列是规则排列的，对垂直入射的光，其光吸收较薄膜的要多，但当光线的入射角度发生改变时，其光吸收性能会产生明显的降低，同时这些制备方法比较复杂，普遍存在的主要问题是难以实现大面积生产制备、制备成本较高和材料微观结构较难控制。

从现有的文献来看，虽然制备出的一维半导体纳米阵列可以提高光吸收性能，但是光吸收性能随着入射光角度的变化会迅速衰减。目前还不存在一种工艺简单、制作成本较低且能够用于大面积对光线入射角度不敏感、比表面积又大的半导体纳米阵列制备的方法。

发明内容

为了克服上述的现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种Cu₂S“仙人掌”微纳二级阵列，该阵列能够在纳米线阵列的基础上进一步增大比表面积，且该阵列的光吸收性能对光的入射角度变化不敏感。

本发明的另一目的在于提供上述的Cu₂S“仙人掌”微纳二级阵列的制备方法，该方法具有工艺简单、成本较低、过程可控、能够进行大面积加工、对设备要求不高等优点。

本发明的再一目的在于提供上述的Cu₂S“仙人掌”微纳二级阵列的用途。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种Cu₂S“仙人掌”微纳二级阵列，其衬底上是导电膜，导电膜的上方是周期性分布的微米尺寸的Cu₂S球冠，Cu₂S球冠表面是纳米尺寸的Cu₂S纳米线，Cu₂S球冠的尺寸及之间空隙可以调整；

所述的衬底是陶瓷、云母、高分子塑料、金属、硅片、玻璃或不锈钢片中的一种；

所述Cu₂S纳米线的直径为10-500nm，长度为100nm-500μm。

所述Cu₂S球冠的直径为0.5-100μm，球冠之间的间隔为0.01-100μm。

上述的Cu₂S“仙人掌”微纳二级阵列的制备方法，包括以下步骤：

（1）在导电衬底上，通过电化学沉积，沉积具有球冠状周期性起伏结构的铜膜；

（2）将沉积了铜膜的衬底与氧气/硫化氢混合气体混合，0-200℃下加热1-500h，生成上述的Cu₂S“仙人掌”微纳二级阵列；