[发明专利]一种纳米复合光电极及其制备方法、太阳能电池

说明书

技术领域

本发明属于光电极领域，具体是一种纳米复合光电极及其制备方法、太阳能电池。

背景技术

通过化学键的作用收集和储存太阳能有利于解决能源问题，例如通过自然的光合作用完成就是一个很好的方法，其中一种方式是通过使用同时能吸收光和进行能量转换的半导体材料进行光催化分解水的反应，将太阳能转换和存储起来，最终是以H-H这种最简单的氢化学键的形式将太阳能存储起来。众所周知，通过使用光电极材料捕获太阳光是一种具有高能量转换效率的办法，这种方法的载流子运输速度快，长期工作能够表现出很好的稳定性。但是现在普遍用光催化分解水的半导体材料都具有较宽的带隙，只对太阳光谱中大约只有5%的紫外光敏感，因此限制了对可见光的吸收，整体表现出较低的光电转换效率。我们非常需要解决这个问题，而窄禁带敏化剂涂层则被认为是一个能够拓宽太阳能光谱吸收范围的有前景的方法。

近期，通过叠层沉积窄禁带有机染料、无机量子点和聚合物吸收体的方法制备出核壳结构的ZnO纳米线，在这些敏化剂材料中，CdS具有2.4eV的窄直接带隙特性，pH=7时，对应的为平带电势为0.66V，可应用于可见光催化分解水。然而根据一些报道，CdS用于光催化分解水产生H₂是不稳定的，由于与CdS在价带产生的光生空穴对应的S^2-发生自氧化反应，所以与空穴相结合的成分大大减少，这些成分包含S^2-，SO₃^2-，或者是S₂O₃^2-等不可或缺的离子。

因此，目前急需开发具有宽光谱吸收特性，较高的光能转换效率以及抗光腐蚀特性强的光催化电极，以提高太阳能制氢器件的工作效率和工作寿命，为太阳能制氢技术的广泛应用奠定基础。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光吸收效率高、产氢量大、稳定性好的纳米复合光电极。

本发明的另一目的是提供该纳米复合光电极的制备方法。

本发明的另一目的是提供一种由该纳米复合光电极制成的太阳能电池。

为达到上述目的之一，本发明采用以下技术方案：

一种纳米复合光电极，所述纳米复合光电极的结构为ZnO/Ag/CdS。

上述纳米复合光电极的制备方法，包括以下步骤：

S1、在ITO玻璃衬底上生长ZnO纳米线；

S2、在ZnO纳米线表面负载银，形成ZnO/Ag结构；

S3、在ZnO/Ag结构上涂覆CdS，形成ZnO/Ag/CdS三组分复合结构。

进一步地，所述步骤S1为：将醋酸锌的乙醇溶液旋涂在ITO玻璃衬底上，制备ZnO的种子层，然后将ITO玻璃衬底倒置在硝酸锌和六亚甲基四胺的水溶液中，加热反应，生长ZnO纳米线。

进一步地，所述醋酸锌的浓度为5~15mM，所述硝酸锌的浓度为50~80mM，所述六亚甲基四胺的浓度为50~80mM。

进一步地，所述加热的时间为2~4h，温度为80~100℃。

进一步地，所述S2为：将ZnO纳米线浸入硝酸银溶液中，真空退火反应，形成ZnO/Ag结构。

进一步地，所述硝酸银的浓度为0.5~0.8M；所述真空退火反应的温度为400~600℃，时间为2~5h。

进一步地，所述S3为：将CdS的前驱体材料溶解在硝酸镉四水合物和硫脲的乙醇溶液中，并旋涂到ZnO/Ag结构上，再将ITO玻璃衬底加热，形成ZnO/Ag/CdS三组分复合结构。

进一步地，所述硝酸镉四水合物的浓度为0.3~0.6M，所述硫脲的浓度为0.3~1M。

本发明的纳米复合光电极可以用于制备太阳能电池。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过涂覆窄禁带敏化剂和掺杂共催化剂，可以大大提高ZnO光电极的催化性和光稳定性。其中，Ag纳米粒子是作为共催化剂在ZnO/CdS表面生长起来的，修饰纳米ZnO/CdS的界面，形成一种三组分的ZnO/Ag/CdS异质结构纳米复合材料。CdS窄禁带敏化剂涂层材料能够拓宽太阳能光谱吸收范围。

三组分的光阳极相比于单组分的ZnO和双组分的ZnO/Ag或ZnO/CdS，能够显著增强光电化学性能。银纳米粒子改性光阳极材料通过局域表面等离子体共振效可以显著地提高对太阳光的吸收，促进光生电子和空穴的分离和运输。