[发明专利]一种ZnO纳米棒光阳极及其制备方法、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ZnO纳米棒光阳极及其制备方法、太阳能电池。

背景技术

太阳能是地球上一切化石能源和可再生能源的源头，太阳能是一种清洁能源，可再生而无毒害，在未来，太阳能很有希望能够直接代替化石能源。虽然自然界可以通过光合作用将太阳能以化学键的形式储存起来，但我们需要有更加高效的方法去解决能源危机问题，光催化分解水有极大的希望为解决能源危机做出巨大的贡献，该方法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，最终以H-H这种最简单的氢化学键的形式将太阳能存储起来。然而由于光生载流子很容易快速复合，导致效率还不太高。故此，我们亟待一种电极材料能够促进载流子能在固-固界面和固-液界面快速传输，使得材料长期使用能同时保持稳定性和高效地捕获太阳光能量。

现在普遍使用的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。

单组份ZnO是一种表现出优异电子特性的宽禁带半导体材料，由于施主能级的存在，表现出N型半导体的性质，而且电子和空穴传输能力比TiO₂等光催化材料还要好。此外，不同纳米结构的ZnO材料都有很高的结晶度和大的表面积/体积比，例如纳米棒、纳米纤维、纳米管、纳米片等，都能够应用于光催化分解水反应中。然而由于纯ZnO的带隙太宽了，例如3.37eV对应的带隙波长是368nm，只能够利用到太阳光的一部分紫外光，而这点劣势是可以通过与窄禁带半导体材料相结合而被补偿，一般是通过CdS这种禁带宽度较窄（仅2.4eV）的材料修饰宽禁带材料。然而，尽管CdS能够很好的吸收可见光，带的位置也适合用于连续不断地对水进行氧化和还原反应，但是由于其会受到严重的光腐蚀，单组份CdS并不适用于光催化分解水反应。由于CdS中的S^2-往往优先于水而与CdS价带上的光生空穴发生自氧化反应，而S^2-，SO₃^2-，S₂O₃^2-等离子对于用作光催化功能的CdS材料来说是不可或缺的成分，其使用受到限制。

发明内容

本发明旨在解决以上问题，提供一种制氢效率高、稳定性好的ZnO纳米棒光阳极。

本发明的另一目的是提供ZnO纳米棒光阳极的制备方法。

本发明的另一目的是提供包含ZnO纳米棒光阳极的太阳能电池。

为达到上述目的之一，本发明采用以下技术方案：

一种ZnO纳米棒光阳极，其结构为NiO/CdS/ZnO。

上述ZnO纳米棒光阳极的制备方法，包括以下步骤：

S1、通过水热法制备ZnO纳米棒；

S2、在ZnO纳米棒表面涂覆CdS，形成CdS/ZnO结构；

S3、在CdS/ZnO结构上沉积NiO，形成NiO/CdS/ZnO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，经第一次加热后将ITO玻璃衬底倒置在硝酸锌和六亚甲基四胺的水溶液中，第二次加热反应，得到ZnO纳米棒。

进一步地，所述醋酸锌的浓度为15~30mM，所述硝酸锌的浓度为70~90mM，所述六亚甲基四胺的浓度为40~80mM。

进一步地，所述第一次加热的温度是180~230℃，时间是5~12min；所述第二次加热的温度是80~100℃，时间是2~4h。

进一步地，所述步骤S2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纳米棒表面，再将ITO玻璃衬底加热，形成CdS/ZnO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。

进一步地，所述步骤S3为：将硝酸镍六水合物溶解在乙醇溶液中制备NiO前驱体，旋涂到CdS/ZnO表面，退火反应，形成NiO层。

进一步地，所述硝酸镍六水合物的浓度为0.2~0.5M，所述退火反应的温度是400~500℃，时间是20~40分钟。

本发明的ZnO纳米棒光阳极可以用于制备太阳能电池。

本发明具有以下有益效果：