[发明专利]一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池及其制备法

说明书

技术领域

本发明属于材料化学技术领域，尤其涉及一种PbS/ITO薄膜基光电化学光伏电池及其制备法；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。 

背景技术

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SO₂、NO_x、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，即将铂、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-n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。 

本发明采用进一步简化的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、铂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。 

发明内容

本发明所要解决的问题是：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。 

本发明对要解决的问题所采取的技术方案是: