二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬的納米結(jié)構(gòu)具有非常獨(dú)特的表面等離子體激元共振的光學(xué)特性，入射光照射金屬表面后，自由電子會(huì)在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下在金屬與界面上發(fā)生集體振蕩，產(chǎn)生表面等離子激元，它們能夠局域在金屬納米顆粒周圍或者在平坦的金屬表面進(jìn)行傳播，如金、銀等等離子體共振頻率主要在可見(jiàn)光及紅外區(qū)。
[0003]近年來(lái)大量研究人員針對(duì)于研究金、銀的表面等離子激元對(duì)太陽(yáng)能電池的光電性能影響進(jìn)行研究，從一維結(jié)構(gòu)(球)、二維結(jié)構(gòu)(棒、立方體)等形貌研究其對(duì)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率的影響。極少研究人員針對(duì)于金空心球的表面等離子體共振增強(qiáng)太陽(yáng)能電池的光吸收及光電性能進(jìn)行研究及應(yīng)用，相比單獨(dú)的納米金球，單獨(dú)納米金空心球或比較粗糙金空心球能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的耦合光的磁場(chǎng)，納米顆粒之間也會(huì)產(chǎn)生所謂“熱點(diǎn)”，能夠提高表面等離子體共振，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)金空心球的球殼外徑和內(nèi)徑之比，調(diào)節(jié)尺寸大小，以控制磁場(chǎng)共振稱合光波長(zhǎng)的范圍，對(duì)不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行吸收。
[0004]將納米貴金屬與金屬氧化物半導(dǎo)體結(jié)合的方法主要有:原位生長(zhǎng)方法包括光伏還原法、熱還原法；電化學(xué)沉積法、真空鍍膜法等。原位生長(zhǎng)法、電化學(xué)方法對(duì)粒子形貌非可控性，后續(xù)需進(jìn)行熱處理，而真空鍍膜方法工藝過(guò)程復(fù)雜，且設(shè)備要求昂貴。電泳沉積方法能夠有效的將現(xiàn)合成的帶電荷的納米金同其他氧化物半導(dǎo)體結(jié)合，并且可以控制不同尺寸的納米金進(jìn)行沉積，無(wú)需熱處理，方法操作簡(jiǎn)單，可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法，包括以下步驟:
步驟一:在FTO導(dǎo)電玻璃上通過(guò)水熱方法制備T12納米棒；
步驟二:電泳方法沉積金空心球，以Pt片為對(duì)電極，以生長(zhǎng)有1102納米棒的FTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，以0.4mmol/L金空心球水溶膠為沉積液，在20-40V沉積lmin_15min，在FTO導(dǎo)電玻璃上得到二氧化鈦納米棒-金空心球結(jié)構(gòu)；
步驟三:通過(guò)連續(xù)離子吸附方法，將步驟二處理后的FTO導(dǎo)電玻璃依次在0.5mol/L的Cd (NO3)2乙醇溶液、乙醇、0.5mol/L的Na 2S-水/甲醇溶液、甲醇中循環(huán)浸泡1_6次，每次浸泡時(shí)間為Imin,得到二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極。
[0007]進(jìn)一步地,所述步驟二中的金空心球直徑尺寸為20nm、35nm或60nm。
[0008]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供了一種能夠通過(guò)簡(jiǎn)易方法沉積不同尺寸的納米金空心球，同氧化物半導(dǎo)體和量子點(diǎn)敏化物結(jié)合制備光陽(yáng)極的方法，該方法有效的應(yīng)用了貴金屬的表面等離子體激元增強(qiáng)光吸收，耦合光波的作用，提高了太陽(yáng)能電池的光電流和光電轉(zhuǎn)換效率，并且可以應(yīng)用不同尺寸及不同形貌的金結(jié)合其它半導(dǎo)體的制備光學(xué)器件當(dāng)中。本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單，成本低廉，重復(fù)性良好。有望在太陽(yáng)能電池領(lǐng)域及光催化領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1是本發(fā)明制備的二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的示意圖。
[0010]圖2為實(shí)例I中的二氧化鈦納米棒-金空心球掃描電子顯微鏡的照片。
[0011]圖3為實(shí)例I中二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS的掃描電子顯微鏡的截面的照片。
[0012]圖4中(a)和(b)為實(shí)例I的二氧化鈦納米棒-金空心球的透射電子顯微鏡的照片。
[0013]圖5為實(shí)例I中二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極中的紫外吸收光譜圖。
[0014]圖6為實(shí)例I中二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極中的光電流密度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。
[0015]圖7為實(shí)例2中二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極中的紫外吸收光譜圖。
[0016]圖8為實(shí)例2中二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極中的光電流密度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。
[0017]圖9為實(shí)例3中二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極中的光電轉(zhuǎn)換效率與吸收光波長(zhǎng)之間關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0019]實(shí)施例1
步驟一:水熱方法制備二氧化鈦納米棒，先配置7mol/L的鹽酸溶液，取24ml溶液于燒杯中，然后緩慢滴加0.4ml的鈦酸四丁酯，15分鐘之內(nèi)加完。然后將4ml的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到20ml的聚四氟乙烯的白色反應(yīng)釜中，將洗干凈的FTO導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面斜朝下，制備二氧化鈦納米棒。
[0020]步驟二:將粒徑尺寸為35nm的金空心球配制成0.4mmol/L的水溶膠，作為沉積液，在35V的電泳沉積電壓下，以Pt片為對(duì)電極，加負(fù)電壓，帶有二氧化鈦納米棒的FTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，加正電壓，沉積5min，制備二氧化鈦納米棒-金空心球。
[0021 ] 步驟三:將上述樣品依次浸泡0.5M的Cd (NO3) 2_乙醇溶液、乙醇及0.5M的Na2S-水/甲醇溶液、甲醇進(jìn)行連續(xù)離子吸附反應(yīng)，其中Na2S-水/甲醇溶液中，水和甲醇按照體積比1:1混合；循環(huán)4次,每次lmin。如圖3得到了 2.5微米厚的二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極。
[0022]如圖2、圖4通過(guò)電泳沉積方法能夠有效將現(xiàn)合成的帶負(fù)電金空心球同二氧化鈦半導(dǎo)體結(jié)合，以面面接觸結(jié)合，結(jié)合力很強(qiáng)。從圖5中看，沉積金空心球后，通過(guò)貴金屬空心球的表面等離子激元共振作用，有效將光陽(yáng)極的光吸收的波長(zhǎng)范圍擴(kuò)寬到了 550-750nm的可見(jiàn)光區(qū)。
[0023]分析測(cè)試本實(shí)施例與現(xiàn)有的Ti02NR_CdS4的光陽(yáng)極的光電流密度I，以電化學(xué)工作站CHI630D，三電極體系，Pt絲對(duì)電極，參比電極為甘汞電極，測(cè)試了光陽(yáng)極的光電流響應(yīng)，從圖6看出，相比于現(xiàn)有的Ti02NR-CdS4，在引入金空心球后，光電流密度從0.8mA/cm2增強(qiáng)到了 1.7mA/cm2。
[0024]實(shí)施例2
步驟一:將水熱方法制備二氧化鈦納米棒，先配置7mol/L的鹽酸溶液，取24ml溶液于燒杯中，然后緩慢滴加0.4ml的鈦酸四丁酯，15分鐘之內(nèi)加完。然后將4ml的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到20ml的聚四氟乙烯的白色反應(yīng)釜中，將洗干凈的FTO導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面斜朝下，制備二氧化鈦納米棒。
[0025]步驟二:將不同粒徑(20nm, 35nm、63nm)的金空心球配制成0.4mmol/L的水溶膠，作為沉積液；電泳沉積方法在20V的電壓下，以Pt片為對(duì)電極，加負(fù)電壓，帶有二氧化鈦納米棒的FTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，加正電壓，沉積15min，制備二氧化鈦納米棒-金空心球。
[0026]步驟三:將上述樣品依次浸泡0.5M的Cd (NO3) 2_乙醇溶液、乙醇及0.5M的Na2S-水/甲醇溶液、甲醇進(jìn)行連續(xù)離子吸附，其中Na2S-水/甲醇溶液中，水和甲醇按照體積比1:1混合；循環(huán)6次，每次lmin。沉積CdS量子點(diǎn)薄層。從如圖7看出，隨著加入不同尺寸金空心球從20nm、35nm到63nm，光陽(yáng)極的等離子體激元作用的共振吸收光譜逐漸發(fā)生紅移，吸收光波長(zhǎng)范圍得到明顯的擴(kuò)寬。
[0027]分析測(cè)試本實(shí)施例與現(xiàn)有的Ti02NR_CdS6的光陽(yáng)極的光電流密度I，以電化學(xué)工作站CHI630D，三電極體系，Pt絲對(duì)電極，參比電極為甘汞電極，測(cè)試了光陽(yáng)極的光電流響應(yīng)，從圖8看出，在三種尺寸(20nm、35nm與63nm)的金空心球后，與現(xiàn)有的Ti02NR_CdS6相對(duì)t匕，光電流密度從原有的0.8mA/cm2分別增強(qiáng)到了 1.6mA/cm2、l.7mA/cm2及1.46mA/cm2。
[0028]實(shí)施例3
步驟一:將水熱方法制備二氧化鈦納米棒，先配置7mol/L的鹽酸溶液，取24ml溶液于燒杯中，然后緩慢滴加0.4ml的鈦酸四丁酯，15分鐘之內(nèi)加完。然后將4ml的前驅(qū)體溶液轉(zhuǎn)移到20ml的聚四氟乙烯的白色反應(yīng)釜中，將洗干凈的FTO導(dǎo)電玻璃的導(dǎo)電面斜朝下，制備二氧化鈦納米棒。
[0029]步驟二:將粒徑為35nm的金空心球配制成0.4mmol/L的水溶膠,作為沉積液；電泳沉積方法在40V的電壓下，以Pt為對(duì)電極，加負(fù)電壓，帶有二氧化鈦納米棒的FTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，沉積lmin，制備二氧化鈦納米棒-金空心球。
[0030]步驟三:將上述樣品依次浸泡0.5M的Cd (NO3) 2_乙醇溶液、乙醇及0.5M的Na2S-水/甲醇溶液、甲醇進(jìn)行連續(xù)離子吸附，其中Na2S-水/甲醇溶液中，水和甲醇按照體積比1:1混合；循環(huán)6次,每次lmin,沉積CdS量子點(diǎn)薄層。
[0031]分別測(cè)試本實(shí)施例與現(xiàn)有的Ti02NR_CdS6的光陽(yáng)極的光電轉(zhuǎn)換效率IPCE，從圖9中可以看出，相比于現(xiàn)有的Ti02NR-CdS6，本發(fā)明通過(guò)金空心球的加入，有效提高了500nm-600nm光波范圍的光電轉(zhuǎn)換效率，并通過(guò)金空心球?qū)馍⑸浜图涌祀娮觽鬏斶^(guò)程，提高了量子點(diǎn)CdS的光吸收。
[0032]上述實(shí)施例用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:在FTO導(dǎo)電玻璃上通過(guò)水熱方法制備T12納米棒； 步驟二:電泳方法沉積金空心球:以Pt片為對(duì)電極，以生長(zhǎng)有1102納米棒的FTO導(dǎo)電玻璃為工作電極，電泳沉積液為0.4mmol/L金空心球水溶膠，在20-40V沉積電壓下，沉積lmin-15min,在FTO導(dǎo)電玻璃上得到二氧化鈦納米棒-金空心球結(jié)構(gòu)； 步驟三:通過(guò)連續(xù)離子吸附方法，將步驟二處理后的FTO導(dǎo)電玻璃依次在0.5mol/L的Cd (NO3)2乙醇溶液、乙醇、0.5mol/L的Na 2S-水/甲醇溶液、甲醇中循環(huán)浸泡1_6次，每次浸泡時(shí)間為Imin,得到二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極。
2.如權(quán)利要求1所述一種二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法，其特征在于:所述步驟二中的金空心球的直徑尺寸為20nm、35nm或60nm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極的制備方法，本方法利用電泳沉積方法將金空心球沉積到二氧化鈦納米棒的表面；最后通過(guò)連續(xù)離子吸附方法，在二氧化鈦納米棒-金空心球外包裹一層CdS量子點(diǎn)層，得到的二氧化鈦納米棒-金空心球-CdS復(fù)合光陽(yáng)極。本發(fā)明利用金空心球的表面等離激元增強(qiáng)效應(yīng)，有效增強(qiáng)對(duì)入射光吸收的效率，提高光電流，并結(jié)合量子點(diǎn)敏化增強(qiáng)光吸收，提高了光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)本發(fā)明可以通過(guò)引入不同尺寸的金空心球來(lái)控制對(duì)不同波段的光波長(zhǎng)進(jìn)行吸收，更加有效利用太陽(yáng)能。本發(fā)明設(shè)計(jì)的制備工藝操作簡(jiǎn)單而可控，易于實(shí)現(xiàn)，成本低。
【IPC分類】H01G9-042, H01G9-20
【公開號(hào)】CN104576070
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410775957
【發(fā)明人】劉愛(ài)萍, 呂錦滇, 池超旦
【申請(qǐng)人】浙江理工大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月17日