本发明专利技术属于薄膜制备技术领域，具体为一种制备ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜的方法和相关工艺参数。该制备方法为媒介模板转换法。首先，采用水热法，以硝酸锌(Zn(NO3)2)/六次甲基四胺(HMT)水溶液为生长体系，在ITO导电玻璃上生长ZnO纳米棒；然后以硫代乙酰胺(TAA)为反应试剂进行水浴，得到ZnO/ZnS核壳结构纳米棒薄膜；然后，将所得样品在硝酸铜(Cu(NO3)2)的三乙二醇(TEG)溶液中静置一段时间得到ZnO/CuS核壳结构纳米棒薄膜媒介模板；最后，将所得样品放入氯化铟(InCl3)的TEG溶液，在水热釜中进行高温水热反应，即可在ITO导电玻璃表面得到ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜。同时探讨了TAA的浓度、Cu(NO3)2的浓度、水热反应时间等工艺参数对薄膜结构和性能的影响，得到了制备高性能的ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜的最佳工艺参数。
【技术实现步骤摘要】
—种制备ZnO/Cu I nS2核壳结构纳米棒薄膜的方法
本专利技术属于薄膜制备
,具体为一种制备ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜的方法和相关工艺参数。技术背景能源是人类现代社会存在的物质基础，同时也是人类社会得以发展的直接动力， 随着社会经济的发展和人口的急剧增长，能源问题已日益成为人类亟待解决的重大问题之一。新能源和可再生能源是21世纪世界经济发展中最具决定性影响的
之一。自 1954年第一块单晶硅太阳能电池问世，人们对利用半导体太阳能电池解决能源危机寄于了很大希望。早在“六五”，我国政府便把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展，而近年来，我国的“十五” 和“863”计划等也已将新能源研究作为重点研究项目资助。现在各种形式的太阳能电池相继问世，根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型电池及纳米晶化学太阳能电池等。以多晶硅太阳能电池为主流的硅基太阳能电池，原料成本高，生产工艺复杂，而且材料本身不利于降低成本，这限制了它的民用化；多元化合物薄膜太阳能电池涉及到一些稀有金属或有毒、有害物质，限制了它的应用；聚合物多层修饰电极型电池目前也处于研发阶段，它最大的不足就是寿命短。纳米晶光电化学太阳能电池(Nanocrystalline Photoelectrochemical Cells,简称NPC电池)又称GrStzel型电池或敏化太阳能电池，是一种新型的陶瓷基光化学太阳能电池。1991年瑞士洛桑高工(EPFL) Gl^tzel教授等，通过钌(II)的联吡啶配合物敏化介孔TiO2薄膜光阳极，获得了 7%的光电转换效率，从此开启了 NPC电池的新领域。这种电池有低成本、环保、制作工艺简单以及高光 电转换效率等优点，在AMl. O的条件下，最高能量转化效率已达11. 18%，并具有进一步提高效率和降低成本的潜在优势，被认为有可能替代硅系电池。国内近几年也相继开展了 NPC电池的研究工作，并取得了一定成绩，但整体上与国外仍存在差距。NPC电池主要由宽带隙的多孔型半导体TiO2或一维纳米结构ZnO等、敏化层以及液体电解质或P型半导体组成。在传统纳米晶染料敏化太阳能电池中，多采用TiO2多孔薄膜，利用其较高的比表面积，吸附大量染料，提高太阳光利用率。然而，TiO2的多孔薄膜中存在着大量的表面态，这些表面态能级位于禁带之中，构成陷阱，束缚了电子在薄膜中的运动，增加了电子的传输时间，同时也加大了电子和电解质复合的概率，增加了暗电流，从而降低了 TiO2电池总的效率。因此，有必要探索使用其它半导体阳极材料或采用新的结构来制作NPC电池。有望代替TiO2的一种半导体材料为ZnO。ZnO具有和TiO2类似的能级结构，同样能满足染料分子或无机半导体吸收层对于能级匹配的要求。在导电基底上生长的ZnO纳米棒作为NPC电池的光阳极时，极大地增加了光吸收路径，电子直接由无界面的单晶棒传输到外电极，避免了 TiO2多孔薄膜中出现的电子传输是要经过多次TiO2颗粒界面间的跳跃，可以加快光生电子-空穴的分离，减少其复合，从而提高光生载流子的利用率，增加NPC电池的效率。目前，以一维结构ZnO半导体为光阳极材料的NPC电池的效率和理想值还有一定差距，这主要是由于ZnO稳定存在的pH为7 12，因此在一些酸性染料存在的情况下， ZnO会受到一定程度的腐蚀，另外，注入到ZnO的电子也会与染料或电解液有一定程度的复合。人们克服这一困难的主要方法是制备ZnO和其他一些半导体材料的核壳复合结构来避免ZnO同染料或电解液的直接接触。CuInS2是1-1I1-VI2化合物半导体，具有黄铜矿结构， 吸收系数高达IO5CnT1,禁带宽度为1. 53eV,与太阳光的最佳吸收范围比较接近，同时它也是一种环境友好型半导体材料，适合做太阳能电池的吸收层或敏化剂。ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜能够避免ZnO由于与染料或电解液的直接接触而被腐蚀，核壳结构之间的势垒能够抑制电子-空穴复合反应，同时，利用CuInS2的性质，可以增加光阳极对太阳光的吸收，同时也增加了光阳极对可见光波长范围内太阳光的吸收，显著提高NPC电池的效率。目前存在的主要问题是和传统的TiO2光阳极材料相比，在导电基底上生长的 ZnO纳米棒阵列作为NPC电池的光阳极时，极大地增加了光吸收路径，电子直接由无界面的单晶棒传输到外电极，可以加快光生电子-空穴的分离，减少其复合，提高光生载流子的利用率，从而增加NPC电池的效率。然而，ZnO稳定存在的pH为7 12，因此在一些酸性染料或电解质存在的情况下，会受到一定程度的腐蚀，另外，注入到ZnO的电子也会与染料或电解液有一定程度的复合。为了进一步优化一维ZnO纳米棒薄膜结构，提高其光电性能，本专利技术以改善NPC太阳能电池的光伏性能为最终目的，采用媒介模板转换法制备高质量的NPC 电池用ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜,该法制备工艺简单,又可对薄膜的结构和性能进行调控，利用ZnO/CuInS2核壳结构避免ZnO由于与染料或电解液的直接接触而被腐蚀，核壳结构之间的势垒能够抑制电子-空穴复合反应，同时，利用CuInS2的性质，可以增加光阳极对太阳光的 吸收，同时也增加了对可见光波长范围的太阳光的吸收。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种制备ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜的制备方法和相关工艺参数。—种适合制备ZnO/CuInSjS壳结构纳米棒薄膜的方法。该制备方法为媒介模板转换法。首先，采用水热法，以硝酸锌(Zn(NO3)2)/六次甲基四胺(HMT)水溶液为生长体系，在 ITO导电玻璃上生长ZnO纳米棒；然后以硫代乙酰胺(TAA)为反应试剂进行水浴，得到ZnO/ ZnS核壳结构纳米棒薄膜；然后，将所得样品在硝酸铜(Cu(NO3)2)的三乙二醇(TEG)溶液中静置一段时间得到ZnO/CuS核壳结构纳米棒薄膜媒介模板；最后，将所得样品放入氯化铟(InCl3)的TEG溶液，在水热釜中进行高温水热反应，即可在ITO导电玻璃表面得到ZnO/ CuInS2核壳结构纳米棒薄膜。本专利技术的作用机理是水溶液生长ZnO纳米棒薄膜的过程中，由于ZnO和衬底间的界面能比ZnO和水溶液间的界面能要小，所以，ZnO首先倾向于在衬底和溶液间的界面上异质成核。成核点与溶液离子间的界面张力取决于成核点与析出相结构的匹配程度，而因为在生长ZnO棒晶阵列时采用的衬底上已经有晶化了的ZnO种子层，所以衬底和生成产物具有相同的晶体结构，有助于ZnO纳米棒在晶种面沿着c轴择优取向外延生长，最终在ITO 导电玻璃表面得到ZnO纳米棒薄膜。在ZnO/ZnS核壳结构纳米棒薄膜的制备过程中，将所得ZnO纳米棒薄膜放入硫代乙酰胺反应溶液后，硫代乙酰胺水解，分解出H2S,在水中电解出 S2_。因为ZnS在水中的容度积常数低于ZnO，故溶液中的S2_会与ZnO反应，在ZnO纳米棒的表面生成ZnS，从而得到ZnO/ZnS核壳结构纳米棒薄膜媒介模板。在ZnO/CuS核壳结构纳米棒薄膜的制备过程中，将所得ZnO/ZnS核壳结构纳米棒薄膜媒介模板放入硝酸铜的三乙二醇溶液本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种适合制备ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜的方法。该制备方法为媒介模板转换法。首先，采用水热法，以硝酸锌(Zn(NO3)2)/六次甲基四胺(HMT)水溶液为生长体系，在ITO导电玻璃上生长ZnO纳米棒；然后以硫代乙酰胺(TAA)为反应试剂进行水浴，得到ZnO/ZnS核壳结构纳米棒薄膜；然后，将所得样品在硝酸铜(Cu(NO3)2)的三乙二醇(TEG)溶液中静置一段时间得到ZnO/CuS核壳结构纳米棒薄膜媒介模板；最后，将所得样品放入氯化铟(InCl3)的TEG溶液，在水热釜中进行高温水热反应，即可在ITO导电玻璃表面得到ZnO/CuInS2核壳结构纳米棒薄膜。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志锋，李亚彬，雅菁，
申请(专利权)人：天津城市建设学院，
类型：发明
国别省市：
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