一种片状碘氧化铋纳米薄膜电极的制备方法

摘要

本发明提供了一种片状碘氧化铋(BiOI)纳米薄膜电极的制备方法。属于薄膜制备技术领域。该方法包括以下步骤：将铋化合物溶解于水中得到铋离子溶液，将碘化物溶于水中得到碘离子溶液，将镀有二氧化钛阻挡层的导电玻璃依次在这两种溶液中浸没，反应后用水清洗，重复过程15～90次循环多次，水洗干燥后即可得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。本发明制备方法简单，制备出的碘化氧铋晶体均匀分布于导电玻璃上，该产品可以用于生产太阳能电池。

说明书

技术领域

本发明涉及一种片状碘氧化铋纳米薄膜电极的制备方法，属于薄膜制备技术领域。

背景技术

自从光伏效应发现以来，研究者们一直致力于发明一种将光能直接转化为电能的装置，它能从取之不竭的阳光中捕获能量并产生清洁的电能以供人类使用，这种装置我们一般称之为太阳能电池。太阳能电池的原理是光子落到半导体上产生电子和空穴对，导致在两种不同类型材料(即n型和p型)的界面(p-n结)上形成电势差，在电场作用下，电子由p区流向n区，空穴以反方向移动，连通电路即产生电流。地球每天接收的太阳能，相当于整个世界一年所消耗的总能量的数百倍，太阳每秒发出的能量就大约相当于500万吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量，而且与人类历史相比太阳具有长得多的寿命，所以太阳能几乎是可供无限使用的能源。同时，太阳能具有情节性，不使用或排放有害物质，是绿色环保能源，不会造成公害。因此，在地球的化石能源即将消耗殆尽，世界面临严峻能源危机的现在，研究具有可持续发展的太阳能电池具有重要意义。

目前，太阳能电池主要还是以硅系为主，单晶、多晶和非晶硅都具有较高的效率和较成熟的技术，然而用硅制备太阳能电池对其纯度具有很高的要求，过高的成本限制了其实际应用。较低成本的多元化合物薄膜电池，如砷化镓、碲化镉、铜铟镓硒等，由于原材料有毒或在地壳中储备稀少也是很难得到大规模使用。此外，一种新的太阳能电池是采用有机物作为电极，目前正在研究中，它的问题是寿命较短和效率较低。所以，研究具有低廉成本，简单工艺的纳米晶太阳能电池在目前是一个热点，其主要方面是用染料敏化的二氧化钛纳米晶电池，它具有材料无毒、效率稳定的特点，然而需要昂贵的染料是二氧化钛染料敏化电池的重要不利因素。因此，研究一种无需染料敏化，制备简单的纳米晶太阳能电池具有很大的意义。

碘化氧铋分子式为BiOI，通常用作消毒剂。1972年Shtilikha等人发现其具有光电活性，因此具有制备太阳能电池的潜力。它的优点是价格便宜，并且和其他一些光电半导体材料相比具有低毒性的特点。因此，目前对碘化氧铋有很多研究和应用。同时以前报道的制备晶体碘化氧铋方法一般都需要先采用水热、溶剂热或微乳液法制备粉体，然后加入粘接剂涂膜覆盖在导电玻璃上使用。采用水热和溶剂热需要较高的温度，能耗大，导致成本提高，而微乳液法会在反应中引入有机物杂质，即使清洗也会有一部分残余，这样会影响最后的性能，并且使用粘接剂直接影响电子传递使得电池效率降低。所以本发明采用连续离子层吸附反应的方法，直接在导电玻璃上生成碘化氧铋结晶，整个反应在水溶液发生，无有机物残余，且无需加入粘接剂，反应条件为常温常压，条件温和，能耗低。

发明内容

本发明针对制备碘化氧铋薄膜存在的问题，提供一种制备片状碘氧化铋纳米薄膜的方法。该方法制备出的碘化氧铋纳米薄膜电极具有很好的光电活性。

一种制备片状碘氧化铋纳米薄膜的方法，其特征在于采用连续离子层吸附反应方法，步骤如下：

1、将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面形成二氧化钛阻挡层，取出洗净；

2、按分子计量比称取硝酸铋和碘化钾原料，将称好的原料分别加入不同的烧杯中，用去离子水溶解，得到浓度相同的硝酸铋和碘化钾溶液，浓度为1～5毫摩尔/升；

3、采用连续离子层吸附反应的原理，将步骤1得到的有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入步骤2配置的两种溶液中，反应后用水清洗，重复过程15～90次，洗涤干燥后，即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

该反应采用连续离子层吸附反应原理，每次浸没区间用水充分清洗。根据沉浸不同的反应次数，可以控制结晶的程度和纳米层的厚度。

采用本发明的制备方法，得到的碘化氧铋薄膜分布均匀，结构呈交叉片状晶体结构，在导电玻璃上排列成阵列状。该方法过程简单，能耗低，产品质量稳定，易于工业化生产，过程中无毒无味，环境友好。

附图说明

图1实施例1-6所得薄膜及原始导电玻璃的X射线衍射(XRD)图谱；

图2实施例1-6所得薄膜及原始导电玻璃的扫描电子显微镜(SEM)图谱；

具体实施方式

实施例1

将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面制成二氧化钛阻挡层，取出洗净；将硝酸铋加入水中，制得浓度为1毫摩尔/升的铋离子溶液；将碘化钾加入水中，制得浓度为1毫摩尔/升的碘离子溶液；将有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入上述两种溶液中，每次浸入后用水将残液冲洗干净，重复过程15次，洗涤干燥后即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

将薄膜电极和溅射有铂的导电玻璃封装组成太阳能电池，注入电解液，电解液溶剂为3-甲氧基丙腈，溶质为0.05摩尔/升碘，0.5摩尔/升碘化锂，0.5摩尔/升4-叔丁基吡啶。在1.5AM太阳光模拟器(Oriel，100毫瓦/平方厘米)下测试该电池的光电参数，有效光照面积为0.5平方厘米，测试方法为线性扫描伏安法，结果见表1。

实施例2

将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面制成二氧化钛阻挡层，取出洗净；将硝酸铋加入水中，制得浓度为2毫摩尔/升的铋离子溶液；将碘化钾加入水中，制得浓度为2毫摩尔/升的碘离子溶液；将有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入上述两种溶液中，每次浸入后用水将残液冲洗干净，重复过程30次，洗涤干燥后即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

所得薄膜太阳能电池效果的参数测定方法同实施例1，结果见表1。

施例3

将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面制成二氧化钛阻挡层，取出洗净；将硝酸铋加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的铋离子溶液；将碘化钾加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的碘离子溶液；将有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入上述两种溶液中，每次浸入后用水将残液冲洗干净，重复过程45次，洗涤干燥后即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

所得薄膜太阳能电池效果的参数测定方法同实施例1，结果见表1。

实施例4

将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面制成二氧化钛阻挡层，取出洗净；将硝酸铋加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的铋离子溶液；将碘化钾加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的碘离子溶液；将有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入上述两种溶液中，每次浸入后用水将残液冲洗干净，重复过程60次，洗涤干燥后即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

所得薄膜太阳能电池效果的参数测定方法同实施例1，结果见表1。

实施例5

将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面制成二氧化钛阻挡层，取出洗净；将硝酸铋加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的铋离子溶液；将碘化钾加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的碘离子溶液；将有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入上述两种溶液中，每次浸入后用水将残液冲洗干净，重复过程75次，洗涤干燥后即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

所得薄膜太阳能电池效果的参数测定方法同实施例1，结果见表1。

实施例6

将导电玻璃片用异丙醇、乙醇洗涤干净并吹干，在0.1摩尔/升的四氯化钛水溶液中50℃水浴1小时，在导电玻璃片表面制成二氧化钛阻挡层，取出洗净；将硝酸铋加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的铋离子溶液；将碘化钾加入水中，制得浓度为5毫摩尔/升的碘离子溶液；将有二氧化钛阻挡层的导电玻璃片依次浸入上述两种溶液中，每次浸入后用水将残液冲洗干净，重复过程90次，洗涤干燥后即得到片状碘氧化铋纳米薄膜电极。

所得薄膜太阳能电池效果的参数测定方法同实施例1，结果见表1。

表1  实施例1-6所得薄膜太阳能电池效果的参数。