本发明专利技术公开了一种PbS/ITO薄膜基光电化学太阳能电池及其制备方法，它包含由具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜与甘汞电极、铂电极、电解液，以及脉冲光源，PbS薄膜与所述甘汞电极、铂电极构成三电极系统，三电极系统与所述电解液构成电化学太阳能电池系统,本发明专利技术为低温反应，反应只需将反应原料加入烧杯内并放在普通水浴锅内，70oC，1小时条件下便可获得所需产品，反应原料及反应器成本低，能耗低，实验操作简单。本发明专利技术首次应用进一步简化的CBD方法制备一种具有线状表面形貌的PbS/ITO海绵状薄膜并将其应用于光电化学太阳能电池器件中。本发明专利技术对开展光电化学太阳能电池器件的研究具有重要的意义。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于材料化学
，尤其涉及；更具涉及一种在氧化铟锡导电玻璃(ITO)衬底上制备具有线状表面形貌的海绵状硫化铅(PbS)薄膜的制备过程进一步简化的化学浴沉积(CBD)方法。
技术介绍
随着人类科技的发展，能源的消耗剧增，如何利用太阳能已成为解决未来能源问题的重要手段之一。我国是世界上能源消费增长最快的国家，也是S02、NOx, CO2排放大国，环境污染的压力愈来愈大。另外我国的能源结构和能源资源的空间布局又不太理想，所以如何开发利用太阳能也是摆在我国科技工作者面前的紧迫研究课题之一。早在1839年，人们发现了电化学体系的光效应，即将钼、金、铜、银卤化物作电极，浸入稀酸溶液中，当以光照射电极一侧时就产生电流。本世纪60年代，德国Tributsch发现的染料吸附在半导体上并在一定条件下产生电流的机理，成为光电化学光伏电池的重要基础。光电化学光伏电池是根据光生伏特原理，将太阳能或光能直接转换成电能的一种半导体光电器件，这是伴随着半导体电化学发展起来的一个崭新的科学研究领域。光电化学光伏电池，利用半导体液体结制成的光电化学光伏电池具有一系列优点，例如:1.形成半导体-电解质界面很方便，制造方法简单，没有固体器件形成P-η结和栅线时的复杂工艺，从理论上讲，其转换效率可与p-n结或金属栅线接触相比较。2.可以直接由光能转换成化学能，这就解决了能源储存问题。3.几种不同能级的半导体电极可结合在一个电池内使光可以透过溶液直达势垒区。4.可以不用单晶材料而用半导体多晶薄膜，或用粉末烧结法制成电极材料。用简单方法能制成大面积光电化学光伏电池，为降低光伏电池生产成本提供了新的途径，因而光电化学电池被认为是太阳能利用的一个崭新方法。PbS是一种受到广泛关注的IV - VI族半导体，在室温下它具有相当小的直接带隙(0.41 eV)和较大的激子玻尔半径(18 nm)。因此，PbS对结晶尺寸非常敏感。通过优化晶体尺寸，PbS纳米晶带隙吸收位置可以在不同波长的近红外光(NIR)区移动，这对光伏器件是非常有价值的。众所周知，到达地球的太阳光波长有一半超过700 nm (可见光区)，三分之一超过1000 nm (近红外光区)。然而，许多半导体纳米晶对太阳光谱中的部分紫外光和可见光有吸收，这就使得拥有大部分太阳能的NIR光没有得到利用。PbS在近红外区域具有高效、稳定的吸收性能，可增加光伏电池对光的吸收范围，提高太阳光的利用率。在今天的固态电子器件与电路中，难以找到没有薄膜的部分，薄膜材料以其独特的工艺和优良的性能在社会经济生活中得以广泛应用。在各种电子和光电子装置中半导体多晶薄膜的应用越来越广。最近几年关于PbS薄膜的制备及应用研究也越来越广泛。目前已报道的PbS薄膜的常见制备方法有:电化学沉积法、化学浴沉积法(CBD)、连续离子层吸附反应法(SLAR)、液-液接触反应法等。在这些制备方法中的CBD方法的制备成本低，便于大面积沉积。CBD方法所需的设备简单、原料普遍、对衬底要求低。往往不需要考虑衬底的导电系数，只要是溶液能得到的任何不溶的表面将成为沉积的合适的衬底。沉积温度要求偏低，避免了沉积过程中的氧化和金属基体的腐蚀。多孔或海绵状薄膜可以增加薄膜的比表面积，增加与其他导电类型半导体材料的接触面积形成一种嵌入式p-n结的结构。这种嵌入式的结构有利于形成垂直于电极平面的电子通道而被用来提高相关电子器件的电子迁移率。本专利技术采用进一步简化的CBD方法在ITO衬底上制备了具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜。所制备的PbS薄膜与甘汞电极、钼电极构成传统的三电极系统，以硫酸钠(Na2SO4)水溶液为电解液，以紫外灯为光源搭建光电化学光伏电池系统并研究了其光电化学性能，测得了其光生电流密度随时间变化的实验曲线。整个实验过程操作简便、绿色环保，能耗低，使用原料成本低廉，无任何毒害副产物。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是:提供一种在ITO衬底上制备具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜进一步简化的CBD方法，并搭建相应的光电化学光伏电池系统。本专利技术对要解决的问题所采取的技术方案是: 本专利技术的一种具有线状表面形貌的PbS/ITO海绵状薄膜基光电化学光伏电池，它由所制备的ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜(工作电极)与甘汞电极(参比电极)、钼电极(辅助电极)、电解液(硫酸钠水溶液)，以及脉冲光源(紫外灯)共同搭建而成。一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池，它包含由ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜与甘汞电极、钼电极、电解液，以及脉冲光源，其中，所述ITO衬底上PbS薄膜与所述甘汞电极、所述钼电极构成三电极系统，所述三电极系统与所述电解液构成电化学光伏电池系统。优选方案，所述ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜为工作电极，所述甘汞电极为参比电极以及所述钼电极为辅助电极。优选方案，所述电解液是浓度是0.01-0.20M Na2SO4水溶液。优选方案，所述脉冲光源是紫外灯，紫外灯通过一个外接的控制器而输出脉冲信号。优选方案，所述PbS薄膜具有海绵状的多孔结构，所述多孔结构是由大量的PbS线搭建而成的；所述PbS线的直径大概有100-300 nm，长度有1-50微米，PbS薄膜的导电类型为P型。一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池的制备方法， 准备工作: 清洗导电玻璃阶段，用含有洗洁精的去离子水清洗导电ITO/玻璃衬底；此过程在超声的辅助下进行20-45分钟后，用去离子水清洗并超声6-15分钟后再换新的去离子水超声清洗6-15分钟，如此循环2-5次；然后，该衬底在氨水(NH3H2O),双氧水(H2O2)和去离子水的混合溶液中，体积比为1:2: 5，温度20-100 X’煮至没有气泡产生为止；之后，用去离子水清洗并超声6-15分钟后再换新的去离子水超声清洗6-15分钟，如此循环2-5次；最后，在烘箱中20-100 0C干燥1-5小时，配制0.10-0.50 M的醋酸铅水溶液和0.10-0.70 M硫脲水溶液； 反应阶段: 用干净镊子夹取上述已清洗干净的ITO导电玻璃衬底并用胶布贴在衬底背面(玻璃面)和小部分正面(ITO面)靠上的位置(这部分是为了后续制作光电化学光伏电池工作电极预留的导电部分)，使ITO露出一个长方形的反应面；向容积为50-200 mL的洁净烧杯中加入ImL 0.15 M-0.25 M的醋酸铅(Pb (CH3COO) 2)，I mL 0.5 M的硫脲，40 mL去离子水和几毫升氨水，它将混合溶液的pH值调节到12 ;搅拌混合均匀后将我们处理好的ITO衬底，正面朝上，平放于烧杯的底部；随后将该烧杯放在水浴锅中70 0C反应I个小时；水浴结束后用镊子取出衬底并用去离子水将衬底表面吸附的PbS冲洗掉，留下沉积上的PbS薄膜；该海绵状PbS薄膜具有线状表面形貌及立方状晶相。优选方案，PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池的制备方法还包括过程中进一步简化的CBD方法:(I) ITO衬底直接平放在反应器(烧杯)底部，无需悬挂装置将其置于反应溶液的中心位置；(2)沉积反应直接在水浴锅中进行，无需辅助超声波或微波等装置即可获得表面形貌均一及厚度均匀的PbS薄膜；(3)本专利技术除必要本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池，其特征在于，它包含由ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜与甘汞电极、铂电极、电解液，以及脉冲光源，其中，所述ITO衬底上PbS薄膜与所述甘汞电极、所述铂电极构成三电极系统，所述三电极系统与所述电解液构成电化学光伏电池系统。
【技术特征摘要】
1.一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池，其特征在于，它包含由ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜与甘汞电极、钼电极、电解液，以及脉冲光源，其中，所述ITO衬底上PbS薄膜与所述甘汞电极、所述钼电极构成三电极系统，所述三电极系统与所述电解液构成电化学光伏电池系统。2.如权利要求1所述的一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池,其特征在于:所述ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜为工作电极，所述甘汞电极为参比电极以及所述钼电极为辅助电极。3.如权利要求1所述的一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池,其特征在于:所述电解液是浓度为0.01-0.20摩尔每升(M)硫酸钠(Na2SO4)水溶液。4.如权利要求1所述的一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池,其特征在于:所述脉冲光源是紫 外灯，紫外灯通过一个外接的控制器而输出脉冲信号。5.如权利要求1所述的一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池,其特征在于:所述PbS薄膜具有海绵状的多孔结构，所述多孔结构是由大量的PbS线搭建而成的；所述PbS线的直径大概有100-300 nm，长度有1_50微米，PbS薄膜的导电类型为P型。6.一种ITO衬底上具有线状表面形貌的海绵状PbS薄膜的制备方法，其特征在于: 准备工作: 清洗导电玻璃阶段，用含有洗洁精的去离子水清洗导电ITO/玻璃衬底；此过程在超声的辅助下进行20-45分钟后，用去离子水清洗并超声6-15分钟后再换新的去离子水超声清洗6-15分钟，如此循环2-5次；然后，该衬底在氨水(NH3H2O),双氧水(H2O2)和去离子水的混合溶液中，体积比为1:2: 5，温度20-100 X’煮至没有气泡产生为止；之后，用去离子水清洗并超声6-15分钟后再换新的去离子水超声清洗6-15分钟，如此循环2-5次；最后，在烘箱中20-100 0C干燥1-5小时，配制0.10-0.50 M的醋酸铅水溶液和0.10-0.70 M硫脲水溶液； 反应阶段: 用干净镊子夹取上述已清洗干净的ITO导电玻璃衬底并用胶布贴在衬底背面(玻璃面)和小部分正面(ITO面)靠上的位置(这部分是为了后续制作光电化学光伏电池工作电极预留的导电部分)，使ITO露出一个长方形的反应面；向容积为50-200 mL的洁净烧杯中加入ImL 0.15 M-0.25 M的醋酸铅(Pb (CH3COO) 2)，I mL 0.5 M的硫脲，40 mL去离子水和几毫...
【专利技术属性】
技术研发人员：范丽波，王鹏，赵肖媛，董新平，孙刚，
申请(专利权)人：许昌学院，
类型：发明
国别省市：
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