[发明专利]一种具有光热协同致电的碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料及其制法

说明书

技术领域

本发明涉及具有光热协同利用效应致电的碲化镉（CdTe）/碲化铋（Bi₂Te₃）一体化材料及其制法。

背景技术

太阳能作为清洁无污染的新能源，在当前大力倡导低碳经济的背景下，承载着国家节能减排的重要任务而受到大家的广泛关注。太阳光谱能量99%都集中在紫外光到红外光波段。因此，太阳能的光电转换技术主要有利用紫外可见光谱的光伏电池和利用红外热能的热电转换。然而，光伏电池不仅无法吸收太阳光谱中800nm以上的红外光谱，而且红外光谱产生的废热还将导致光伏电池的整体温度上升，进而导致光伏电池效率下降5-15%左右。

另一方面，在理论上，大部分的太阳辐射能够转换为热能。通过热电效应，太阳热能产生的温度梯度可以转换为电能，目前报道了许多热电发电器件，由于其自身材料特性的限制，其转换效率小于5%。因此，为了实现太阳光谱的全光谱利用，人们将光伏电池和热电发电器件组装成一个系统来进行太阳光谱的转换，太阳光谱通过一个分光透镜将其分为紫外光谱和红外光谱。紫外光谱部分用于光伏电池的吸收转换，而红外光部分用于热电器件热电转换。然而，几乎所有的太阳能光热电系统都是分立的光伏电池和热电器件的宏观组合，并未实现材料水平的一体化，因此还是无法真正解决太阳能全光谱的吸收和利用，同时无法吸收的红外光谱产生的热效应也将降低光伏电池效率。

为了在一个材料中将太阳光谱进行全光谱的转换，实现太阳光谱中光热同时转换。我们设计了光电材料和热电材料的一体化材料，利用最佳的光伏材料CdTe和热电材料Bi₂Te₃，通过载流子的一体化设计（CdTe在下部，Bi₂Te₃在上部），利用磁控溅射法,成功制备了CdTe纳米棒阵列和层状Bi₂Te₃的一体化材料。经过表征表明CdTe/Bi₂Te₃光热电一体化材料能够将太阳光谱中的光和热同时转换成电能，实现协同增强达到光热协同利用转换的效果。

发明内容

我们利用p-n结原理，设计了光热一体化材料，其基底为导电玻璃，下层为p型的CdTe，上层为n型的Bi₂Te₃。CdTe和Bi₂Te₃形成一个p-n结。其具体的结构如图1所示。当太阳光从背面照射时，p-n结产生光电效应，主要吸收紫外和可见光，产生的电流方向如图1所示。同时，太阳光谱中大于800nm的红外波段将产生热，p-n结中载流子复合产生的热也将传递到的Bi₂Te₃的底部，这样就在Bi₂Te₃的上下两端形成一个温差，热电材料Bi₂Te₃将把这个温差同时也转换成电能，电流方向如图1所示。这样CdTe/Bi₂Te₃一体化材料在将太阳光谱进行光电转换的同时，也将太阳光谱中的热能和p-n结光电转换过程中产生的热能也同时转换成电能，且转换的电流方向一致，实现协同增强，获得太阳能光热协同利用效应。

因此，发明设计了一种具有光热协同利用效应的碲化镉（CdTe）纳米棒/碲化铋（Bi₂Te₃）层状结构的一体化材料，并通过磁控溅射成功实现设计，通过V-t曲线表征确认了一体化材料协同转化太阳光和热的能力。

本发明的技术方案如下：

一种具有光热协同致电的碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料，它是在导电玻璃基板的导电面上沉积一层碲化镉纳米棒层，在碲化镉纳米棒层表面再沉积有碲掺杂的碲化铋层，构成碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料。

上述的碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料，所述的碲化镉纳米棒层厚2000-3000纳米。

上述的碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料，所述的碲化铋层厚300-1500纳米。

上述的碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料，所述的碲化铋层经过碲掺杂后补偿了碲元素的挥发，原子数比例为铋：碲＝2:2.9～2:3.15。

上述的碲化镉/碲化铋一体化纳米结构材料，在碲化铋层用银胶引出导线作为正极，在导电玻璃基板的导电面上用银胶引出导线作为负极即构成电池，如图1所示，当阳光从导电玻璃面射入即产生电压和电流。