[发明专利]一种硫属化合物/金属氧化物核壳纳米柱阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，尤其涉及一种硫属化合物/金属氧化物核壳纳米柱阵列的制备，应用领域主要涉及量子点敏化太阳能电池领域。

背景技术

当今世界，无论是高度工业化的发达国家还是处在经济迅速增长期的发展中国家，能源的需求都在与日俱增。然而对于煤、石油、天然气等传统能源的使用来说，现引起了严重的环境问题，新能源的开发迫在眉睫。在众多新能源中，太阳能资源丰富，用途广泛，并已经成为一种极具潜力的市场化的替代能源。而且研究发现，太阳照射到地球表面一小时所产生的能量(4.3×10²⁰J)足够全球人类一年的能量消耗(4.1×10²⁰J)，其中低成本、高效率的太阳电池的引入使得太阳光能量的俘获变得相当的容易。

太阳能电池作为一种清洁能源备受人们关注。而以量子点技术为基础的量子点敏化太阳电池由于敏化剂的量子尺寸效应与多激子效应等众多优点，引起人们很大的兴趣。在这个领域当中，量子点与宽带隙半导体纳米结构之间的连接和相互作用，以及量子点吸附量对电子的传输和复合动力学及光电转化效率有很大的影响。因而量子点在金属氧化物半导体纳米结构上的沉积方式对电池性能有很大的影响。量子点包覆金属氧化物核壳纳米结构(光阳极)的制备方法主要分为两种：非原位法与原位法。非原位法为间接合成方式。首先在溶液中合成量子点，然后将纳米半导体氧化物浸入到含有双官能团的桥连分子的溶液中，其一端是羧基，与半导体氧化物薄膜相连；另一端是巯基，与量子点相连，化学吸附到氧化物上，也叫做自组装方法。这一方法虽然可以精确控制量子点尺寸又能方便的对其表面钝化，但是它本身存在两个缺点：一方面，要获得足够多的量子点需要将半导体氧化物薄膜长时间的浸入到量子点溶液中，且覆盖率很低；另一方面，连接基团的存在会对激发电子向氧化物的转移过程产生阻碍作用，致使产生的光电流较低。原位法为直接合成方式，主要包括连续离子层吸附反应沉积法和化学水浴沉积法。化学水浴沉积是将电极浸入含有量子点反应的前驱体溶液中，沉积一定时间，在氧化物表面形成量子点；连续离子层吸附反应是在化学水浴沉积基础上改进，将电极分别放在两种离子盐溶液中浸泡，这两种方法可以实现较高的覆盖率及结合性。但是，化学水浴沉积的反应环境经常是酸性或者碱性，这就对金属氧化物有所限制。另外，化学水浴沉积反应速度慢，反应经常在一定的温度条件下进行。连续离子层吸附反应过程繁琐、周期长、重复性差、不利于大规模生产。同时，最近研究表明，金属氧化物的一维纳米柱阵列结构在量子点敏化太阳电池中展现了它的优势：一维纳米柱阵列结构可以为光生电子提供直接的运输通路，从而降低电子与空穴的复合几率；而且具有更大的比表面积，可以吸附更多的量子点；同时还能够增强光的散射，提高对光的利用率。因此，一维纳米柱阵列结构在量子点敏化太阳电池中有着很好的应用前景。然而，当采用连续离子层吸附反应与化学浴沉积这两种方法在金属氧化物纳米柱阵列上生长金属硫属化合物量子点时，容易出现量子点在纳米柱顶部聚集的现象，阻碍了电解液与纳米柱阵列的接触和电子空穴的传输，使得量子点敏化太阳能电池的光电性能降低，甚至失去性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种避免硫属化合物在金属氧化物纳米柱顶部聚集且反应周期短、成本低、设备简单、操作方便的硫属化合物/金属氧化物核壳纳米柱阵列的制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

(1)将分析纯的可溶性金属盐溶于去离子水中，配制成浓度为0.01~0.5mol/L的金属盐溶液；

(2)按照金属盐离子与缓释性硫或硒源相同摩尔比例，向步骤(1)所述溶液中加入缓释型硫或硒源，搅拌1~15分钟，得到0.01~0.5mol/L的硫属化合物的弱电离前驱体溶液；

(3)向上述弱电离前驱体溶液中滴加保护剂；

(4)在掺氟的二氧化锡透明导电玻璃上制备整齐排列的金属氧化物纳米柱阵列，将其浸入上述加入保护剂的弱电离前驱体溶液中；

(5)将步骤(4)所获得的整体固-液系统置于超声水浴环境中，利用超声波诱导上述前驱体溶液产生高速微射流冲击金属氧化物纳米柱，激发化学反应使得硫属化合物在金属氧化物纳米柱表面形核、生长，同时振掉与纳米柱阵列结合性不好的物质提高硫属化合物在金属氧化物纳米柱表面的附着性；

(6)持续上述超声过程3~30分钟后，取出样品，用去离子水冲洗1~2分钟，放于干燥箱中干燥得到硫属化合物/金属氧化物核壳纳米柱阵列结构。