本发明专利技术公开了双壳层ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极的结构及其制备方法。用水热法实现单晶ZnO纳米线阵列垂直于ITO衬底生长，直径和高度分别在50～100nm、0.5～3μm内可调，然后在ZnO纳米线阵列上制备CdTe纳米电缆层和ZnS纳米晶钝化层，形成ZnO/CdTe/ZnS双壳层纳米电缆阵列结构电极。且CdTe壳层和ZnS的厚度分别在3～30nm以及5～15nm。通过退火工艺，有效的提高了ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列的结晶质量，实现了ZnO/CdTe纳米电缆阵列的饱和光电流密度从6.5mA/cm2提高到ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列的13.78mA/cm2。本发明专利技术设计的制备工艺简单环保，成本低，重复性好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及是一种半导体纳米材料
，特别是ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极及其工艺制备。
技术介绍
自 1"1 年以来，Gratzel研究小组 B. Oregan, M. Gratzel. Nature. 1991. VOL353. 737 740]在Nature杂志上报道了一种能量转化效率高达7. 1%的新型染料敏化纳米晶多孔半导体薄膜太阳能电池(简称为DSSC)。DSSC，也被称为Gratzel电池，以其具有成本低廉、制作工艺简单以及性能稳定等优点成为太阳能研究领域的一个热点。目前，有机染料作为敏化剂所取得的效率最高，但由于有机染料存在价格昂贵、性质不稳定、在电解液中易脱落等缺点，限制了其在敏化电池上的应用。无机纳米半导体材料制备方法简单廉价，且由于其特殊的尺寸效应及其较大的消光系数，多激子效应成为一种可取代有机染 料分子的光敏材料，而最常用的无机半导体材料包括PbS、Ag2S、ZnS, CdTe, ZnSe, Sb2S3、InP和Bi2S3，通常利用这些半导体材料作为量子点或纳米晶来敏化一维纳米阵列电极，其中包括ZnO和TiO2，两者禁带宽度适宜，化学和光稳定性好，且有高的光透过率，是无机半导体敏化太阳能电池(简称为SSSC)结构的重要电极，在这些光敏材料中CdTe与太阳光谱最相匹配，有较高的光学系数和较窄的带隙，更有利于提高光的吸收率。但是量子点或纳米晶敏化一维纳米电极时，载量是有限的，并在量子点(或纳米晶)/电解液界面及ZnO/量子点(或纳米晶)界面处的电子复合损失严重，进而影响到光电化学性能。为了解决这些问题，研究者开始选择一种氧化物纳米阵列(核)/半导体(壳)结构(即纳米电缆)电极。如ZnO/CdTe纳米电缆阵列电极构成的太阳能电池，饱和光电流密度达到了 6mA/cm2 Xina Wang,Haojun Zhu, Yeming Xu, Hao Wang, Yin Tao, Sui kong Hark, Xudong Xiao, Quan Li.ACSNAN0 2010. vol. 4. No. 6]。此外，Ti02/CdS/CdSe/ZnS 结构通过 CdS 和 CdSe 之间的接触来校准费米能级和利用OdS/CdSe界面处的能级重排效应来抬高OdSe的导带底能级,从而更利于电子的前向传输，ZnS作为保护层来降低CdSe/电解液界面处的电子复合，提高了光电性能，使得电池的饱和光电流密度 14 1!^/0112，效率为3.44%取0 Joong Lee, JiwonBang, Juwon Park, Sungjee Kim, Su Moon Park. Chem. Mater. 2010.22.5636-5643]。但是，目前多层敏化技术还局限于CdSe和CdS的共敏化体系，而CdTe参与的共敏化技术很少涉及。总之，现有的敏化技术还存在一系列的缺陷主要有，制备工艺较复杂，不易掌控和重复，吸收光谱的范围有限以及电解液与量子点长时间接触导致的化学稳定性较差。较之现有技术存在的不足，本专利技术人在总结现有技术的基础上，在ZnO/CdTe纳米电缆上钝化一层ZnS，以达到防止CdTe在电解液中被腐蚀，进而导致光电化学性质不稳定。经过大量的工艺完善后，终于完成了本专利技术。本专利技术采用三步法制备ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极，首先是采用水热法在ITO玻璃衬底上制备ZnO纳米线阵列；然后利用电化学沉积工艺制备CdTe纳米壳层；最后通过SILAR法制备ZnS外层。这种制备工艺既实现了 CdTe纳米晶在ZnO表面的连续分布从而降低电极与电解液间的电子复合损失，又能灵活控制CdTe和ZnS的载量及厚度。并且，二者的有很好的浸润性和工艺兼容性，较容易获得较高的CdTe/ZnS界面质量，这对电子沿纳米电缆径向的传输非常有利。同时，ZnS也对CdTe起到钝化作用，防止电解液腐蚀电极。因此，我们提出的ZnO/CdTe/ZnS双壳层纳米电缆电极既能有效克服界面缺陷，又大大改善了光电化学性能。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服上述技术的不足，为无机半导体敏化太阳能电池(简称为SSSC)提出一种双壳层ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极结构及其制备工艺，进一步提高太阳能电池的性能，促进太阳能电池的应用。双壳层ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极，实现单晶ZnO纳米线阵列垂直于ITO衬底生长，直径和高度分别在50 100nm、0. 5 3 内可调。且通过调节沉积电量大小控制CdTe壳层的厚度在3 30nm，通过改变循环次数控制ZnS的厚度在5 15nm。 本专利技术的制备工艺具体如下 I、ITO导电玻璃表面预处理 ITO导电玻璃表面顺序地用去离子水、丙酮、酒精与去离子水进行超声清洗，然后用吹风机吹干，并立即转入射频磁控溅射镀膜机中，在真空度10_3 10_5Pa的条件下进行保护，所述超声清洗时间为5 15min。本专利技术使用的是深圳莱宝高科技股份有限公司生产的低电阻10 15欧/平方的ITO,它是目前市场上销售的产品，也可以用其他销售产品。2、制备ZnO缓冲薄膜 把步骤I)得到的清洁ITO导电玻璃置于射频磁控溅射镀膜机中，ITO玻璃作为阳极基片，在加热温度300 400°C与真空度0. I IOPa的条件下溅射20 30min，溅射阴极为ZnO靶材，生长一层ZnO缓冲薄膜层； 或者，把步骤I)得到的清洁ITO导电玻璃置于脉冲激光沉积设备中，使用准分子激光器与市售的ZnO陶瓷靶，在加热温度300 400°C与真空度0. I IOPa的条件下进行沉积，生长一层ZnO缓冲薄膜。3、制备ZnO纳米线阵列 ZnO纳米线阵列是采用水热法制备的。分别称量0. 02 0. 12g醋酸锋与0. 04 0. 18g六亚甲基四胺固体，将两种固体一起加入8 32ml去离子水中配制成水溶液，混合均匀后，把步骤2)制备的具有ZnO缓冲薄膜的ITO导电玻璃置于该混合溶液中，然后在温度90 95 0C的加热设备中反应3 6小时，在所述的ZnO缓冲薄膜上生成ZnO纳米线阵列层。4、制备CdTe纳米电缆层 CdTe纳米电缆层是采用电化学沉积的方法制备的。K2TeOjjC^液配制的方法将0.08 0. 18g氢氧化钾(KOH)固体溶入到30 60ml去离子水中，在温度40 60 °C与磁力搅拌下，再加入0. 10 0. 25g 二氧化碲(TeO2)固体，停止加热，磁力搅拌直至澄清； 分别称量0. 30 0. 80g氨三乙酸三钠盐与0. 12 0. 28g醋酸镉二水合物，把它们同时加到上述K2TeOyK溶液中，磁力搅拌直至澄清。使用上海辰华仪器有限公司销售的CHI660D电化学沉积设备，把步骤3)制备的具有ZnO纳米线阵列的ITO导电玻璃作为工作电极，饱和甘汞电极作为参比电极，Pt片为对电极，在室温下，在沉积电压-0. 6 -I. OV与沉积电量0. 6 I. IC的条件下反应5 30min,在所述的ZnO纳米线阵列层上沉积得到CMTe纳米电缆层。氨三乙酸三钠盐的含量过低或过高都是不利的，过低则会造成沉积困难；过高则会腐蚀样品；因此氨三乙酸三钠盐的含量0. 30 0. 80g是合适的。同样，乙酸镉二水合物的含量过低或过高都本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种双壳层ZnO/CdTe/ZnS纳米电缆阵列电极，是采用水热法实现单晶ZnO纳米线阵列垂直于ITO衬底生长，其特征在于ZnO纳米线阵列直径和高度分别控制在50～100nm、0.5～3μm范围内；然后利用电化学沉积工艺在ZnO纳米线阵列上制备CdTe纳米壳层，且通过调节沉积电量大小控制CdTe壳层的厚度在3～30nm；最后通过SILAR法制备ZnS外层，且通过改变循环次数控制ZnS的厚度在5～15nm。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，刘荣，王喜娜，王甜，汪宝元，胡芸霞，许扬，丁浩，张军，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：
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