CN108376742A - 一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法与应用 - Google Patents

一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法与应用，包括二氧化铈、三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍的纳米粉体材料，各组成成分的摩尔比为：CeO2：Bi2O3：In2S3：NiS＝1:x:y:z，其中，0.5≤x≤0.7，0.2≤y≤0.3，0.05≤z≤0.2，采用固相合成方法制备出具有呈三阶等差数列能隙梯度的CeO2.xBi2O3.yIn2S3.zNiS太阳能电池纳米粉体材料，且其三阶公差d＝0.4eV，能隙宽度△Eg＝1.65～1.80eV，基本实现太阳光中紫外与可见光谱的全吸收，作为太阳能光电转换材料和处理工业污水的光催化剂，大大提高光电转换效率。

Description

一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法与应用
技术领域
本发明属于功能材料技术领域，具体涉及一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法与应用。
背景技术
稀土纳米材料由于其优良的性能，正备受关注。据大量文献报道，稀土纳米材料正被广泛应用于传统工业和高科技领域中，在光学玻璃，抛光材料，荧光与激光材料，半导体，光导纤维，功能陶瓷制备中的掺杂剂和烧结助剂，石油催化裂化等领域都有广泛应用。
目前，太阳能电池材料存在光电转换效率不高、污染环境和生产成本高等问题。目前有大量文献报道太阳能电池材料的制备以及在光伏领域的用途，但是均存在一定的缺陷，如何获得廉价易得、光电转化效率高、生产成本低、无毒无污染、加工方便和可再生利用和能对紫外-可见光具有全响应范围的太阳能电池纳米材料仍然是急需解决的难题。
发明内容
为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种氧化铈基太阳能电池纳米材料的制备方法与应用，由于二氧化铈、三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍对太阳光谱具有全吸收性能，利用阴离子表面活性剂与具有手性结构的氨基酸对半导体金属硫化物、半导体金属氧化物及其非金属改性半导体复合物的微结构调控，制备廉价易得、生产成本低、无毒无污染、加工方便和可再生利用和能对紫外-可见光具有全响应范围的太阳能电池纳米材料，获得光电转化效率高的太阳能光电转换材料与高效处理工业污水的光催化剂。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，为包括二氧化铈(CeO2)、三氧化二铋(Bi2O3)、三硫化二铟(In2S3)和硫化镍(NiS)的纳米粉体材料，且三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍均匀分布于二氧化铈基纳米复合材料中，各组成成分的摩尔比为：CeO2：Bi2O3：In2S3：NiS＝1:x:y:z，其中，0.5≤x≤0.7，0.2≤y≤0.3，0.05≤z≤0.2。
进一步地，上述氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，为包括二氧化铈、三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍的纳米粉体材料，且三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍均匀分布于二氧化铈基纳米复合材料中，各组成成分的摩尔比为：CeO2：Bi2O3：In2S3：NiS＝1:x:y:z，其中，0.55≤x≤0.65，0.2≤y≤0.25，0.1≤z≤0.15。
更进一步地，所述二氧化铈、三氧化二铋和三硫化二铟及硫化镍的微晶尺寸均为8～12nm。
进一步地，所述纳米粉体材料的尺寸为15～40nm。
进一步地，所述纳米粉体材料的能隙梯度呈三阶等差数列，且其三阶公差d＝0.4eV，能隙宽度△Eg＝1.65～1.80eV。
进一步地，所述硫化物中S的价态为S2-、S4+和S6+；所述硫化物中含S2-的物质质量百分比为85～94.5％，含S4+和S6+的物质质量百分比为5.5～12.5％。
本发明的第二方面，一种上述氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法，具体地，包括以下步骤：
S1、按照上述摩尔比分别称取七水氯化铈、五水硝酸铋、七水氯化铟、九水硫化钠与七水氯化镍五种反应物，再称取等摩尔比的模板剂和阴离子表面活性剂，其中，所述模板剂的用量为上述五种反应物总质量的5～15％；其中，所述模板剂为手性α-氨基酸，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠；
S2、将上述七种物质在研钵中混合研磨20～30min，得褐黑色糊状物，静置2～4h后置于烘箱中，于120～150℃下反应60～90min；反应结束后将产物冷却至室温后取出、研细，并去离子水浸泡、搅拌，再抽滤洗涤至少6次，直至滤液中无氯离子，得滤饼；
S3、将上述滤饼在100～110℃下烘干后移入坩埚，在马弗炉中于400～550℃焙烧4-5h，自然冷却至室温后取出，得CeO2/Bi2O3/In2S3/NiS纳米粉体材料，即为氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料。
本发明的第三方面，上述氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料作为太阳能光电转换材料和处理工业污水的光催化剂的用途。需要说明的是，当作为光催化剂时，本发明的纳米粉体材料和污水的用量比为1:1000g/L，光照波长为200～800nm，光照时间为20～60min；当作为太阳能光电转换材料时，将本发明的纳米粉体材料压成薄片，即得。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
一、采用固相合成方法制备出具有等差能隙梯度的CeO2.xBi2O3.yIn2S3.zNiS太阳能电池纳米粉体材料，其能隙梯度呈三阶等差数列，其三阶公差d＝0.4eV，能隙宽度△Eg＝1.65～1.80eV，基本实现太阳光中紫外与可见光谱的全吸收；构建纳米晶体材料内部的不同电场电势，有利于不同波长太阳光激发的载流子逐级加速分离，减少不同能量载流子在迁移过程中的复合堙没，提高光电转换效率。
二、本发明中纳米粉体材料的粒径大小与纳米粒子的隧道效应紧密相关，微晶尺寸与光电转换效率呈正相关性；晶体内部具有局部微区手性结构，且晶体中的缺陷(如：材料表面的沟道阱和界面阱)有利于电荷的转移并产生界面极化场，有利于光生载流子的分离；在不同内电场的加速分离下，提高光电子的迁移速率，提高光电转换效率；同时，纳米粉体材料将含有带色基团的有机物在太阳光辐射下将有机物进行分解，矿化为无毒无害小分子物质，时间短、分解效率高。
三、本发明以手性α-氨基酸与十二烷基苯磺酸钠为模板，采用固相合成方法，其中模板剂的组成及其配比直接影响材料组成及配比，同时材料中硫元素的价态(S2-、S4+和S6+)及其相对含量对材料的光电转化效率和光催化性能均有显著影响。
四、本发明的原材料来源广泛，廉价易得，制备方法简单，成本低；纳米粉体易于压片成型，满足太阳能光伏材料的加工要求。
具体实施方式
下面为本发明较佳实施例以详细说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1-5
以不同用量的十二烷基苯磺酸钠和手性α-氨基酸(以丙氨酸为例)为模板，七水氯化铈、七水氯化铟、五水硝酸铋、九水硫化钠和七水氯化镍五种反应物为纳米粉体材料制备的前驱物，在研磨时间为20min、静置时间为240min、反应温度为120℃、反应时间为120min、焙烧温度为450℃的条件下，其他均为本领域常规试验方法，按照如表1实施例1-5中不同模板剂配比与不同反应前驱物配比制备氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料。
将上述实施例1-5制备的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料作为光催化剂时，按照上述纳米粉体材料和污水的用量比为1:1000g/L，光照波长为200～800nm，光照时间为20-60min，然后测试光催化性能，结果如表2所示。
将上述实施例1-5制备的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料作为太阳能光电转换材料时，将本发明的纳米粉体材料压成薄片，在光电转化测定仪上测定其光电转化效率，然后测试光催化性能，结果如表2所示。
表1实施例1-5中组分与配比数据
表2实施例1-5中测试结果数据
指标 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
纳米颗粒粒径(nm) 15-25 10-20 10-25 10-30 10-35
光电转化效率(％) 22.22 26.75 20.34 19.21 21.46
可见光催化降解硝基苯酚(％) 92.25 99.50 89.33 86.41 90.15
可见光催化降解苯酚(％) 89.78 95.56 87.93 85.45 88.75
紫外光降解硝基苯酚(％) 100 100 100 100 100
从上述测试结果可知，本发明以手性α-氨基酸与十二烷基苯磺酸钠为模板，采用固相合成方法，模板剂的组成及其配比直接影响材料组成及配比，同时材料中硫元素的价态(S2-、S4+和S6+)及其相对含量对材料的光电转化效率和光催化性能均有显著影响；制备出的CeO2.xBi2O3.yIn2S3.zNiS太阳能电池纳米粉体材料具有呈三阶等差数列能隙梯度，且其三阶公差d＝0.4eV，能隙宽度△Eg＝1.65～1.80eV，基本实现太阳光中紫外与可见光谱的全吸收，可见光催化降解硝基苯酚和苯酚效率高达85％以上，紫外光降解硝基苯酚效率均达到100％。
另一方面，本发明中米粉体材料将含有带色基团的有机物在太阳光辐射下将有机物进行分解，矿化为无毒无害小分子物质，进一步提高光电转换效率，在中性环境中降解有机污染物可以循环利用5次及以上，其光催化性能几乎不变，但在偏酸性环境中光催化性能的稳定性有所变差；将纳米粉体压成薄片制成的电池部件测定其光电转化效率可达26.75％。本发明原材料来源广泛，廉价易得，制备方法简单，成本低；纳米粉体易于压片成型，满足太阳能光伏材料的加工要求。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，其特征在于，为包含二氧化铈、三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍的纳米粉体材料，且所述三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍均匀分布于二氧化铈基纳米复合材料中，各组成成分的摩尔比为：CeO2：Bi2O3：In2S3：NiS＝1:x:y:z，其中，0.5≤x≤0.7，0.2≤y≤0.3，0.05≤z≤0.2。
2.一种如权利要求所述的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，其特征在于，为包括二氧化铈、三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍的纳米粉体材料，且三氧化二铋、三硫化二铟和硫化镍均匀分布于二氧化铈基纳米复合材料中，各组成成分的摩尔比为：CeO2：Bi2O3：In2S3：NiS＝1:x:y:z，其中，0.55≤x≤0.65，0.2≤y≤0.25，0.1≤z≤0.15。
3.一种如权利要求1所述的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，其特征在于，所述二氧化铈、三氧化二铋和三硫化二铟及硫化镍的微晶尺寸均为8～12nm。
4.一种如权利要求1所述的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，其特征在于，所述纳米粉体材料的尺寸为15～40nm。
5.一种如权利要求1所述的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，其特征在于，所述硫化物中S的价态为S2-、S4+和S6+。
6.一种如权利要求5所述的氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料，其特征在于，所述硫化物中含S2-的物质质量百分比为85～94.5％，含S4+和S6+的物质质量百分比为5.5～12.5％。
7.一种如权利要求1～6任一项所述氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照上述摩尔比分别称取七水氯化铈、五水硝酸铋、七水氯化铟、九水硫化钠与七水氯化镍五种反应物，再称取等摩尔比的模板剂和阴离子表面活性剂，其中，所述模板剂的用量为上述五种反应物总质量的5～15％；其中，所述模板剂为手性α-氨基酸，所述阴离子表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠；
S2、将上述七种物质在研钵中混合研磨20～30min，得褐黑色糊状物，静置2～4h后置于烘箱中，于120～150℃下反应60～90min；反应结束后将产物冷却至室温后取出、研细，并去离子水浸泡、搅拌，再抽滤洗涤至少6次，直至滤液中无氯离子，得滤饼；
S3、将上述滤饼在100～110℃下烘干后移入坩埚，在马弗炉中于400～550℃焙烧4～5h，自然冷却至室温后取出，得CeO2/Bi2O3/In2S3/NiS纳米粉体材料，即为氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料。
8.一种如权利要求7所述氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料的制备方法，其特征在于，所述纳米粉体材料具有呈三阶等差数列的能隙梯度，且其三阶等差数列公差d＝0.4eV，能隙宽度△Eg＝1.65～1.80eV。
9.一种如权利要求1～6任一项所述氧化铈基太阳能电池纳米粉体材料作为太阳能光电转换材料和处理工业污水的光催化剂的用途。
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