一種ZnO/NiFe2O4納米陣列復合異質結材料及其制備的太陽能電池的制作方法

本發明涉及光電納米材料技術領域，具體為一zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料及其制備的太陽能電池。

背景技術：

當前，能源環境問題日益嚴峻，科學界一直致力于研究除硅以外的資源豐富的能源材料。金屬氧化物材料具有非同一般的光學和電學性能，zno是重要n型的寬帶隙半導體材料，其室溫下禁帶寬度為3.37ev，激子束縛能為60mev，遠大于室溫熱離化能(26mev)，可在較低閥值下產生激子受激輻射，在室溫和高溫下可實現激子復合發光，是一種制備短波長發光器件的理想材料。因此研究p-n異質結材料是非常有意義。

研究制備低成本zno基太陽能電池對替代高成本電池，實現太陽能電池的大規模民用化具有重要意義。通過界面結構梳狀化，制備三維結構復合薄膜異質結太陽能電池，可以有效增加異質結界面面積，這樣在增加多重吸光的同時可以縮短光生載流子的收集長度，降低光生載流子的復合幾率，有利于提高電池效率。由于固體無機半導體材料在填充過程中受到與復雜幾何結構有關的陰影效應的制約往往無法在納米結構表面保形覆蓋或很難實現其在納米多孔中致密化填充，因此，探索一種在取向陣列中充分填充無機固體半導體的技術制備復合異質結電池是提高電池技術的關鍵。

目前尚未有zno/nife2o4納米陣列復合異質結太陽電池制備方法的相關報道。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料及其制備的太陽能電池。

為了解決上述技術問題，本發明提供了如下的技術方案：

一種zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料，采用以下步驟制備：

1)、將適量六水合氯化鎳和六水合三氯化鐵溶解于去離子水中，優選的，鐵和鎳的摩爾比為2：1～1.5；攪拌均勻后加熱至90℃，調整溶液的ph值為10～14，90℃保溫3小時，100℃燥箱中干燥1小時，得到nife2o4凝膠；

2)、將zno納米棒陣列安裝在鍍膜機上，鍍膜機的旋轉速度為1200轉/min，把nife2o4凝膠滴加到zno納米棒陣列，180℃燥30分鐘，將nife2o4凝膠循環重復8～12次滴加至zno納米棒陣列中，一般要重復10次，至nife2o4自下而上充分填充到zno納米棒陣列的空隙中，nife2o4薄膜將zno納米棒的全面包覆，經過熱處理形成zno/nife2o4復合納米異質結，優選的熱處理的溫度為500℃。

進一步的，所述zno納米棒陣列采用水熱生長方法制備而成，利用溶膠凝膠法制備zno種子前驅體，然后在基底上涂敷zno種子前驅體，形成薄膜，經熱處理得到一層均勻的納米級zno晶種層；在反應容器中將基底帶有晶種層的面懸空倒扣浸沒于zno生長溶液中，水浴條件下反應得到高度取向的zno納米棒陣列。優選的，所述zno納米棒陣列采用以下步驟制備：采用旋涂鍍膜的方法在清洗好的基底上制備一層zno膠體膜；真空管式爐中350℃～550℃退火10min～30min，在基底表面形成一層均勻致密的納米級zno晶種層；按照摩爾比1:8將koh和zn(no3)2按配制成濃度為0.10～0.25m的[zn(oh)4]^2-水溶液，充分磁力攪拌，得到一澄清溶液，然后倒入反應容器內，將基底制備有晶種層的面向下懸浮于陣列生長液中，之后密封好反應容器，將其置于電熱恒溫水槽中，在20～50℃水浴條件下，保溫10min～12h，取出，依次用去離子水漂洗，無水乙醇沖洗，室溫真空烘干。

進一步的，所述的zno晶種層的制備過程如下：以二水合醋酸鋅zn(ac)2·2h2o為反應前驅體、單乙醇胺nh2ch2ch2oh為穩定劑、乙二醇甲醚ch3och2ch2oh為溶劑、聚乙二醇peg4000為表面活性劑制備出0.3m～0.5m的zno溶膠。以0.5m的zno溶膠為例，具體配制過程如下：稱取5.488g二水合醋酸鋅，放入燒杯中，并向其中加入25ml的乙二醇甲醚，磁力攪拌15min；量取1.5ml乙醇胺加入到15ml的乙二醇甲醚中，機械攪拌并超聲分散5min；將乙醇胺的乙二醇甲醚溶液逐滴的滴加到磁力攪拌著的醋酸鋅的乙二醇甲醚溶液中，再滴加0.9ml的去離子水，而后加入適量乙二醇甲醚調整溶液體積達50ml，密封燒杯，并在60℃水浴強烈磁力攪拌2h，靜置陳化24h。最后加入0.25g聚乙二醇[ho(ch2ch2o)nh]4000，60℃水浴攪拌30min，得到淡黃色zno前驅體溶膠。采用旋涂鍍膜的方法在清洗好的基底上制備一層zno膠體膜；真空管式爐中350℃～550℃退火℃10min～30min，即在基底表面形成一層均勻致密的納米級zno晶種層。

進一步的，所述基底為ito或fto導電玻璃。

一種采用上述納米陣列復合異質結制備所得的太陽能電池，其結構依次包括：ito或fto透明導電玻璃基底、zno晶種層、zno納米棒陣列、nife2o4薄膜、金屬電極或導電氧化物電極和ito或fto導電玻璃基底。

進一步的，所述nife2o4薄膜自下而上充分填充到zno納米棒陣列的空隙中，nife2o4薄膜將zno納米棒的全面包覆。

進一步的，在zno晶種層表面生長zno納米棒陣列。

進一步的，在nife2o4薄膜表面濺射金屬電極或導電氧化物電極。

進一步的，所用金屬電極為au或pt；所用導電氧化物電極為ito或fto。

本發明提供了一種全新的zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料，在zno納米棒陣列空隙中，nife2o4自下而上充分填充到納米棒陣列的空隙中經過熱處理后形成zno/nife2o4，nife2o4薄膜將zno納米棒的全面包覆，形成了zno/nife2o4復合納米異質結納米棒表面，充分利用納米陣列結構對光生載流子特有的光電傳輸分離效應，有效傳遞光生載流子，降低界面復合幾率，提高輸出效率，電池成本低，制備簡單，電池性能好。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為水熱法合成的zno納米棒陣列的橫斷面場發射掃描電鏡(sem)照片；

圖2為本發明所得的zno/nife2o4納米陣列復合異質結橫斷面的場發射掃描電子(sem)照片；

圖3為本發明的zno/nife2o4太陽電池的示意圖。

具體實施方式

實施例1

zno晶種層的制備過程如下：以二水合醋酸鋅zn(ac)2·2h2o為反應前驅體、單乙醇胺nh2ch2ch2oh為穩定劑、乙二醇甲醚ch3och2ch2oh為溶劑、聚乙二醇peg4000為表面活性劑制備出0.3m～0.5m的zno溶膠。以0.5m的zno溶膠為例，具體配制過程如下：稱取5.488g二水合醋酸鋅，放入燒杯中，并向其中加入25ml的乙二醇甲醚，磁力攪拌15min；量取1.5ml乙醇胺加入到15ml的乙二醇甲醚中，機械攪拌并超聲分散5min；將乙醇胺的乙二醇甲醚溶液逐滴的滴加到磁力攪拌著的醋酸鋅的乙二醇甲醚溶液中，再滴加0.9ml的去離子水，而后加入適量乙二醇甲醚調整溶液體積達50ml，密封燒杯，并在60℃水浴強烈磁力攪拌2h，靜置陳化24h。最后加入0.25g聚乙二醇[ho(ch2ch2o)nh]4000，60℃水浴攪拌30min，得到淡黃色zno前驅體溶膠。采用旋涂鍍膜的方法在清洗好的基底上制備一層zno膠體膜；真空管式爐中350℃～550℃退火℃10min～30min，即在基底表面形成一層均勻致密的納米級zno晶種層。

zno納米棒陣列的生長的過程如下：用koh和zn(no3)2按摩爾比1:8配制濃度為0.10～0.25m的[zn(oh)4]^2-水溶液，充分磁力攪拌，得到一澄清溶液，即為所需的陣列生長液。將陣列生長液倒入反應容器內，然后將基底制備有晶種層的面向下懸浮于陣列生長液中，之后密封好反應容器，將其置于電熱恒溫水槽中，在50℃水浴條件下，保溫10min～12h，取出，依次用去離子水漂洗，無水乙醇沖洗，室溫真空烘干，即得到zno納米棒陣列。圖1為本發明實施例1中制備的zno納米棒陣列薄膜的橫斷面場發射掃描電鏡(sem)照片，由圖1可以看出，高度規整的納米棒陣列緊密矗立在基底表面上，納米棒直徑約80-100nm，長約2μm，棒間距約100-120nm。

實施例2

一種zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料,采用以下步驟制備：

1)、nife2o4的制備

按照鐵和鎳的摩爾比為2：1將適量六水合氯化鎳和六水合三氯化鐵溶解于去離子水中，攪拌均勻后加熱至90℃，滴加氫氧化鈉使溶液的ph值為10，90℃保溫3小時，100℃燥箱中干燥1小時，得到nife2o4凝膠；

2)、將zno納米棒陣列安裝在鍍膜機上，鍍膜機的旋轉速度為1200轉/min，把nife2o4凝膠滴加到zno納米棒陣列，180℃燥30分鐘，循環重復8次至nife2o4自下而上充分填充到zno納米棒陣列的空隙中，nife2o4薄膜將zno納米棒的全面包覆，形成了zno/nife2o4復合納米異質結。

實施例3

一種zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料，采用以下步驟制備：

1)、nife2o4的制備

按照鐵和鎳的摩爾比為2：1.5將適量六水合氯化鎳和六水合三氯化鐵溶解于去離子水中，攪拌均勻后加熱至90℃，滴加氫氧化鈉使溶液的ph值為14，90℃保溫3小時，100℃燥箱中干燥1小時，得到nife2o4凝膠；

2)、將zno納米棒陣列安裝在鍍膜機上，鍍膜機的旋轉速度為1200轉/min，把nife2o4凝膠滴加到zno納米棒陣列，180℃燥30分鐘，循環重復12次至nife2o4自下而上充分填充到zno納米棒陣列的空隙中，nife2o4薄膜將zno納米棒的全面包覆，形成了zno/nife2o4復合納米異質結。

實施例4

一種zno/nife2o4納米陣列復合異質結材料，采用以下步驟制備：

1)、nife2o4的制備

按照鐵和鎳的摩爾比為2：1.2將適量六水合氯化鎳和六水合三氯化鐵溶解于去離子水中，攪拌均勻后加熱至90℃，滴加氫氧化鈉使溶液的ph值為12，90℃保溫3小時，100℃燥箱中干燥1小時，得到nife2o4凝膠；

2)、將zno納米棒陣列安裝在鍍膜機上，鍍膜機的旋轉速度為1200轉/min，把nife2o4凝膠滴加到zno納米棒陣列，180℃燥30分鐘，循環重復10次至nife2o4自下而上充分填充到zno納米棒陣列的空隙中，nife2o4薄膜將zno納米棒的全面包覆，形成了zno/nife2o4復合納米異質結。

圖2為本發明實施例4所得的zno/nife2o4納米陣列復合異質結橫斷面的場發射掃描電子(sem)照片；從該圖可以看出，從圖中看出，zno納米棒之間幾乎沒有空隙，說明nife2o4膠粒充分填充到了zno納米棒之間空隙處，且異質結結合緊密。zno納米棒全部被直徑約為100-300nm的nife2o4顆粒緊密覆蓋，形成了zno/nife2o4復合納米異質結結構陣列。

實施例5

一種基于zno/nife2o4復合納米陣列異質結的太陽能電池，如圖3所示。其結構依次包括：ito電玻璃基底1、zno晶種層2、zno納米棒陣列3、nife2o4薄膜4、金屬電極5和fto導電玻璃基底1。nife2o4薄膜4自下而上充分填充到zno納米棒陣列3的空隙中，nife2o4薄膜4將zno納米棒全面包覆。zno晶種層2表面生長zno納米棒陣列3，在nife2o4薄膜4表面濺射金屬電極5，金屬電極為au。

最后應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。