一種基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器及其制備方法與流程

本發明涉及一種基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器及其制備方法，屬于新材料及其應用技術領域。

背景技術：

隨著人類社會的發展以及化石能源的日益枯竭，能源危機已經越來越成為當今社會需要解決的首要問題。如何開發新型能源，尋求解決能源危機的新途徑已經迫在眉睫。自然界中的太陽光取之不盡、用之不竭，是非常理想的清潔能源。但是，目前的太陽能利用方式，包括光熱轉換器、太陽能電池等普遍具有轉換率低，不能充分利用光能的缺點。所以，開發研究新型材料及其器件，將太陽光能高效率地轉化為電能具有十分重要的現實意義。

類似于石墨烯，二維納米結構的二硫化鎢(WS₂)具有其他形貌無法比擬的電學、光學及電化學性質。由于其特殊的微觀結構和組成，二硫化鎢已經廣泛應用于潤滑劑以及催化劑等領域。此外，二硫化鎢在鋰電池、儲氫、電化學、光催化劑等方面也有著廣泛的應用前景。在光學領域，二硫化鎢由于其帶隙在1.7-2.0eV左右，在可見光范圍內有著出眾的吸收能力。但是，由于其光生電子和空穴極易重新復合，其光催化能力欠佳；其光生電子不能有效的傳導利用，也限制了這類材料在光電轉化領域的應用。

因此，本發明提出采用碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作為光電轉換材料，在此基礎上設計開發了一款高效光電轉換器。本發明所使用的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構為按照本發明人在發明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構及其制備方法”(見專利號或申請號：中國專利201610322521.8)中所提出的方法合成的產品。本發明所采用的這種復合結構的內核是碳纖維，外殼是成陣列狀的二硫化鎢納米片；當這種復合結構材料被光照時，既能充分利用二硫化鎢納米片帶隙較小的特點，提高可見光的吸收率，還能利用碳纖維的良好的導電性能，促進光生電子和空穴的分離，提高光電轉化效率。因此，本發明所制備的光電轉換器，能高效地將太陽光能轉化為電能，可用作太陽能發電裝置；而當電容量較小并外接電信號探測器時，這種裝置還可以用作光信號靈敏探測器。此外，由于本發明所采用的這種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構外觀呈現纖維狀，產量大、密度高、純度高、形貌可控，因此本發明所設計的光電轉換器的結構簡潔，器件的制備設備和工藝簡單，所制備的器件的結構和性能穩定，產品收率高、成本低廉、生產過程清潔環保。

技術實現要素：

本發明的目的在于提出一種基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器及其制備方法。在所述光電轉換器中，采用本發明人在發明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構及其制備方法”(見專利號或申請號：中國專利201610322521.8)中所合成的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作為光電轉換材料，并在該材料的碳纖維兩端構建歐姆電極，然后并聯到太陽能接收裝置中，在低壓電場下促使光生電子定向移動，并與電器(用電設備或電流信號倍增器、檢測器)串聯組合，即得到所述光電轉換器。由于本發明所采用的這種復合結構的內核是碳纖維，外殼是成陣列狀的二硫化鎢納米片；當這種復合結構材料被光照時，既能充分利用二硫化鎢納米片帶隙較小的特點，提高可見光的吸收率，還能利用碳纖維的良好的導電性能，促進光生電子和空穴的分離，提高光電轉化效率。因此，本發明所制備的光電轉換器，能高效地將太陽光能轉化為電能，可用作太陽能發電裝置；而當電容量較小并外接電信號探測器時，這種裝置還可以用作光信號靈敏探測器。此外，由于本發明所采用的這種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構外觀呈現纖維狀，產量大、密度高、純度高、形貌可控，因此本發明所設計的光電轉換器的結構簡潔，器件的制備設備和工藝簡單，所制備的器件的結構和性能穩定，產品收率高、成本低廉、生產過程清潔環保。

為了達成上述目標，本發明提出的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器及其制備方法，其特征在于，所述光電轉換器采用碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作為光電轉換材料，并在每根碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的碳纖維兩端構建歐姆電極，然后并聯到太陽能接收裝置中，與低壓電源和電器串聯組合，即得到所述光電轉換器。

本發明提出的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器的制備方法，包括以下步驟和內容：

(1)選取碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作為光電轉換材料，將其兩端的二硫化鎢納米片剝離，裸露出其中間的碳纖維。

(2)將其生長有二硫化鎢納米片的部分放置到絕緣基片上，在其裸露的碳纖維兩端上構建歐姆電極，然后并聯到太陽能接收裝置的兩端電極上。

(3)將太陽能接收裝置外接低壓電源，并和電器串聯組合。

(4)封裝，備用。

在上述制備方法中，所述步驟(1)中，所采用的光電轉換材料為碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構，是按照本發明人在發明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構及其制備方法”(見專利號或申請號：中國專利201610322521.8)中所提出的方法合成的。

在上述制備方法中，所述步驟(1)中，將碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構兩端的二硫化鎢納米片剝離的方法為機械剝離、化學腐蝕、激光侵蝕之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中，絕緣基片為表面氧化了的硅片、石英玻璃片、高純氧化鋁片之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中，在碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的碳纖維兩端上構建歐姆電極的方法為半導體微加工、焊接、敷涂導電漿料之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中，在碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的碳纖維兩端上構建的歐姆電極的電極材料為鉑、銀、金、鎳、銅、導電炭膠之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中，太陽能接收裝置中的透明外殼為石英玻璃片、透明塑料片、纖維素復合薄膜之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中，外接低壓電源為0.01-10V的電源。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中，當所述光電轉換器用作太陽能發電裝置時，電器為用電設備，如照明設備；當用作光信號靈敏探測器時，電器為電流信號檢測器(含信號倍增器)。

采用本技術制備的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的光電轉換器，器件的結構簡潔，器件的制備設備和工藝簡單，器件的結構和性能穩定，產品收率高、成本低廉、生產過程清潔環保。這種結構的光電轉換器，根據電容量的大小和外接電器的不同，本發明提出的高效光電轉換器可分別用作太陽能發電裝置或者光信號探測器。

附圖說明

圖1是本發明實施例1所制得的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的光電轉換器的結構示意圖(其中，1為透明外殼；2為光電轉換材料，即碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構；3為太陽能接收裝置的電極；4為太陽能接收裝置的絕緣基片；5為外接低壓電源；6為電器，即用電設備或者電流信號檢測器)。

圖2是本發明實施例1所制得的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的光電轉換器的光電流響應曲線。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明的技術方案做進一步說明。

本發明提出的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器及其制備方法，其特征在于，所述光電轉換器采用碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作為光電轉換材料，并在每根碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的碳纖維兩端構建歐姆電極，然后并聯到太陽能接收裝置中，與低壓電源和電器串聯組合，即得到所述光電轉換器。并包括如下步驟和內容：

(1)選取按照本發明人在發明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構及其制備方法”(見專利號或申請號：中國專利201610322521.8)中所提出的方法合成的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作為光電轉換材料，用機械剝離、化學腐蝕或激光侵蝕法將其兩端的二硫化鎢納米片剝離，裸露出其中間的碳纖維。

(2)將其生長有二硫化鎢納米片的部分放置到表面氧化了的硅片、石英玻璃片或高純氧化鋁片絕緣基片上，用半導體微加工、焊接或敷涂導電漿料方法在其裸露的碳纖維兩端上構建歐姆電極，其電極材料為鉑、銀、金、鎳、銅或導電炭膠。然后并聯到太陽能接收裝置的兩端電極上。

(3)將表面裝有石英玻璃片、透明塑料片或纖維素復合薄膜透明外殼的太陽能接收裝置外接串聯0.01-10V的低壓電源，然后和電器(用電設備或電流信號檢測器)串聯組合。

(4)封裝，備用。

所得到的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器外觀上為平板式裝置。

在50-500W氙燈光源照射下，外接0.01-10V電壓下進行I-t測試，本發明提出的這種光電轉換器具有優異的光響應特性，其光生電流較相同條件下采用純WS₂納米片作為光電轉換材料所制備的光電轉換器的性能提高6倍。

總之，用本技術能得到高性能的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的光電轉換器。

實施例1：將按照本發明人在發明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構及其制備方法”(見專利號或申請號：中國專利201610322521.8)中所提出的方法合成的一束質量為10mg、直徑為約10μm、長度約3cm的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構作作為電轉換材料，用機械剝離的方法將其兩端的二硫化鎢納米片進行剝離，然后將其安裝到太陽能接收裝置中的表面經氧化的硅片上；在其裸露的碳纖維兩端上焊接上銅絲構建歐姆電極，然后并聯到太陽能接收裝置的電極上；在太陽能接收裝置表面覆蓋一層石英玻璃片透明外殼，并串聯外接電壓為1V的電源和光電流探測器，即得到一種所述基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的高效光電轉換器。

所制備的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復合結構的光電轉換器外觀上為平板式裝置(見圖1)；本發明提出的這種光電轉換器的制備方法設備和工藝簡單、制備條件嚴格可控、產品收率高、成本低廉，且制備方法經濟環保；本發明提出的這種光電轉換器結構簡潔，結構和性能穩定，光電響應性能良好(見圖2)；其光生電流較相同條件下采用相同質量的純二硫化鎢納米片作為光電轉換材料所制備的光電轉換器的性能提高6倍。