一种ZnO纳米棒光阳极及其制备方法、太阳能电池技术

本发明专利技术属于光电极领域，公开了一种ZnO纳米棒光阳极，其结构为NiO/CdS/ZnO。本发明专利技术还公开了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。本发明专利技术的纳米光电极复合材料，能够拓宽对太阳光谱的吸收范围，提高用于光催化电解水的光电极材料的性能，而且制备方法简单，主要是通过旋涂涂覆叠层材料，成本较低，节能环保。

ZnO nanorod optical anode and preparation method thereof, solar cell

The invention belongs to the field of photoelectric electrodes and discloses a ZnO nanorod optical anode. The structure is NiO/CdS/ZnO. The invention also discloses a preparation method of ZnO nanorod photoanode, which comprises the following steps: preparation of ZnO nanorods by hydrothermal method, S1; S2, ZnO nanorods were coated on the surface of CdS, forming CdS/ZnO structure; S3, in the CdS/ZnO structure NiO deposited to form NiO/CdS/ZnO composite structure. The invention of the nano composite photoelectrode, can broaden the absorption range of the solar spectrum, enhance the photoelectric photocatalytic performance for water electrolysis cathode materials, and the preparation method is simple, mainly through spin coating coated laminated material, low cost, energy saving and environmental protection.

【技术实现步骤摘要】
一种ZnO纳米棒光阳极及其制备方法、太阳能电池
本专利技术属于光电极领域，具体是一种ZnO纳米棒光阳极及其制备方法、太阳能电池。
技术介绍
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S2-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S2-，SO32-，S2O32-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。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上问题，提供一种制氢效率高、稳定性好的ZnO纳米棒光阳极。本专利技术的另一目的是提供ZnO纳米棒光阳极的制备方法。本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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。本专利技术的ZnO纳米棒光阳极可以用于制备太阳能电池。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术通过水热法制备多边形ZnO纳米棒，然后涂覆超薄的CdS层，最后再在表面沉积NiO共催化剂层，制备一种三组分的纳米复合光电极材料（NiO/CdS/ZnO），这种材料能够提高光电化学性能，用做光阳极催化分解水效率很高。在-0.6V的低偏置电压作用下用AM1.5的模拟太阳光照射，产生的光电流密度可高达950μA/cm2，相当于Ag/AgCl在0.5M的Na2S和Na2SO3溶液的效果，光电流密度是已生长的单组份ZnO纳米棒的6.78倍；在-0.5V的偏置电压作用下，光电流密度可高达530μA/cm2，相当于Ag/AgCl在1M的Na2SO3溶液的效果。这种三组分的纳米复合光电极材料中的ZnO的带隙较大（3.2eV），只能吸收太阳光中的一部分紫外光，而CdS的禁带宽度较窄（2.4eV），可以利用到太阳光中的可见光部分，拓宽了对太阳光谱的吸收范围。过渡金属氧化物NiO可以促进氧化反应或作为共催化剂捕获空穴，提高光催化分解水的光电极的性能。光电极材料中光生电子和空穴的复合是被抑制的，从而能够有效地快速分离载流子。从荧光实验结果上看，直接在ZnO上掺入NiO的复合材料不活泼，而相比于已经生长的单组份的ZnO材料，CdS/ZnO和NiO/CdS/ZnO复合材料都比较活泼，载流子能够被高效地快速分离开。NiO/CdS/ZnO纳米光电极复合材料能够拓宽对太阳光谱的吸收范围，提高用于光催化电解水的光电极材料的性能。本专利技术的制备方法简单，主要是通过旋涂涂覆叠层材料，成本较低，制备过程中温度较低，节能环保。附图说明图1是实施例1的ZnO纳米棒光阳极的结构示意图；图2是实施例1各材料的SEM图；图3是实施例1各单组份材料的荧光光谱图；图4是实施例1各复合材料的荧光光谱图；图5是实施例1各材料的电流密度-电位曲线；图6是实施例1太阳能电池的电流密度-时间曲线；图7是实施例1太阳能电池的制氢速率曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步的说明。实施例1按照以下步骤制备ZnO纳米棒光阳极：S1、生长ZnO纳米棒将醋酸锌溶解在乙醇溶液中制成浓度为20mM的ZnO种子前驱体，在环境温度下以2000rpm.的转速在ITO玻璃衬底上旋涂30s，将ITO玻璃衬底放置在180~230℃的加热板上加热5~12min，再倒过来悬置在装满硝酸锌（75mM）和六亚甲基四胺（50mM）的水溶液的反应器皿中，90℃加热反应3小时后从生长液中移出，用乙醇和去离子冲洗后烘干，得到ZnO纳米棒。S2、CdS涂覆层的生长将CdS的前驱体材料溶解在硝酸镉四水合物（0.5M）和硫脲（0.5M）的乙醇溶液中，在环境温度下以2000rpm.的转速在ZnO纳米棒表面旋涂30s，将衬底放置在90℃的加热板上加热直至形成一层很薄的黄色的薄膜，CdS作为壳层材料包覆着ZnO纳米棒，最后用乙醇和去离子冲洗后作烘干处理，形成CdS/ZnO结构。S3、制备NiO层将硝酸镍六水合物溶解在乙醇溶液中制成浓度为0.3M的NiO前驱体，在环境温度下以2000rpm.的转速在CdS/ZnO表面旋涂30s，最后将样品送入管式炉在氩气环境下450℃退火30分钟，形成一层很薄的致密的NiO层。图1是ZnO纳米棒光阳极的结构示意图；图2a是ZnO纳米棒，图2b是CdS涂覆层，图2c是NiO催化剂层，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ZnO纳米棒光阳极，其特征在于，其结构为NiO/CdS/ZnO。

【技术特征摘要】
1.一种ZnO纳米棒光阳极，其特征在于，其结构为NiO/CdS/ZnO。2.根据权利要求1所述的ZnO纳米棒光阳极的制备方法，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，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。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一次加热的温度是180~230℃，时间是...

【专利技术属性】
技术研发人员：王恺，孙小卫，刘皓宸，张晓利，徐冰，郝俊杰，
申请(专利权)人：广东昭信光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44