[发明专利]一种铜锌锡硫和三维石墨烯的复合薄膜的制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种铜锌锡硫和三维石墨烯的复合薄膜的制备方法及应用，其特征在于：采用溶剂热合成技术，在三维多孔结构的石墨烯薄膜表面及其多孔空间内生长铜锌锡硫纳米材料，制备出铜锌锡硫纳米颗粒和三维石墨烯的复合薄膜。经过形貌和电化学的测量实验表明，这种铜锌锡硫和三维石墨烯复合薄膜具有高比表面积、高导电性和高催化特性，作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料。

技术领域

本发明涉及的是一种纳米材料技术领域的方法，具体铜锌锡硫和三维石墨烯的复合薄膜的制备方法及应用。

背景技术

纳米复合材料可以集中单独材料的优良性能，基于这一思路的基础上，通过合理设计材料的结构与形貌对于纳米材料的性能和应用具有重要影响，更重要的是纳米材料的均匀分布对于其在能源环境如太阳能电池、光催化、超级电容器等领域有重要意义，因此纳米复合材料的控制和合成愈来愈受到重视。

铜锌锡硫(缩写作CZTS)纳米颗粒具有很多优点，比如：光吸收系数超过10⁴cm^-1，带隙大约是1.5eV，铜、锌、锡、硫元素在自然界储量丰富，不污染环境。目前它应用于太阳能电池的效率已经超过了10％。对于铜锌锡硫纳米颗粒的制备，通常采用热注射法。但是，这些方法用的化学试剂比较刺激或者是要用长链表面活性剂。另外就是使用溶剂热法，常用表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)来控制纳米颗粒的大小和形貌。当应用于光伏或者光电催化薄膜时，表面活性剂吸附在颗粒表面，某种程度上阻碍了颗粒之间的电子传输。在扩大生产的时候，表面活性剂的使用也会引发环境问题。

铜锌锡硫CZTS)是直接带隙p型半导体，禁带宽度为1.5eV左右,吸收系数高达10⁴cm^-1，并且CZTS薄膜制备方法简单，组成元素在地球上储量丰富，价格低且无毒性，因此被人们认为具有极大的发展前景。石墨烯是超薄二维纳米材料，具有电子流动性强200000cm²V^-1s^-1)，机械性能和稳定性能好等优良特性。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号103219066A，公开了一种二维石墨烯与一维纳米线复合的柔性导电薄膜及其制备方法。该技术将石墨烯、纳米线与分散助剂分散到溶剂中，超声震荡，得到分散良好的石墨烯/纳米线溶液，经真空抽滤、干燥后，得到石墨烯/纳米线复合薄膜。所述复合薄膜厚度为10nm-1000μm，有良好的强度和柔性，方块电阻在0.001-3000Ω/sq.范围内，电导率为0.01-5000S/cm。但该技术仅涉及了纳米线和石墨烯的复合物，且制备过程较为复杂，同时复合薄膜无法达到量子点级别。

基于此，本发明提出了一种改进的铜锌锡硫纳米颗粒和三维石墨烯的复合薄膜的制备方法。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明采用溶剂热合成技术，在三维多孔结构的石墨烯薄膜表面及其多孔空间内生长铜锌锡硫纳米材料，制备出铜锌锡硫纳米颗粒和三维石墨烯的复合薄膜。经过形貌和电化学的测量实验表明，这种铜锌锡硫和三维石墨烯复合薄膜具有高比表面积、高导电性和高催化特性，可作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料。

本发明涉及的技术方案如下：

一种铜锌锡硫和三维石墨烯的复合薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、在导电基底上制备出三维石墨烯薄膜：

首先，基于超声改进的Hummer法制备出氧化石墨烯，在马弗炉中利用200-1000℃高温还原。将氧化还原石墨烯粉末与乙醇溶液的混合物进行球磨处理。最后将球磨后的石墨烯分散溶液抽滤烘干，得到单层石墨烯粉末。

其次，将球磨处理后的单层石墨烯粉末加入到有机溶剂中，配制成石墨烯浆料，利用丝网印刷在FTO导电玻璃的导电面上。

最后，将上述样品置于鼓风干燥箱进行热处理后，得到基于导电基底的三维多孔石墨烯薄膜待用。