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导电玻璃基板上低温合成太阳能电池用CIS纳米管阵列 摘要 通过在玻璃基板上使用ZnO纳米棒阵列作为牺牲模板的低成本溶剂法，已经合成了富铜/缺铜的高度有序阵列的CIS纳米管以及ZnO/CuInSe2的皮芯型复合纤维纳米电缆。在化学转化中，六方相的ZnO转化为立方相的ZnSe、CuSe以及四方相的CIS，为我们展示出了一种合成I_III_VI族纳米材料的新方法。在转化中，它们溶度积常数的巨大差异对于直接交换至关重要。在ZnO/CuSe核壳结构纳米电缆和InCl3的溶剂热反应中，三甘醇溶剂的作用是：在把二价铜离子还原为一价铜离子的还原反应中作为还原剂以及在ZnO核的溶解中作为溶解剂。CIS在可见光区域的吸收系数大约为104 cm-1。光电化学太阳能电池是用ZnO/Cu1.57±0.10In0.68±0.10Se2和ZnO/CuSe的纳米光缆阵列构建的。据发现，ZnO/Cu1.57±0.10In0.68±0.10Se2电池的能量转化率大概比基于ZnO/CuSe的电池高出两倍。 关键词: CuInSe2 · CuSe · 核壳结构 · 纳米电缆 · 牺牲模板 · 离子 · 改变 · 多元醇、多羟基化合物 · 还原 由于他们独特的结构和显著的光电性能——比如可控的嵌入Ga和/或S的能带间隙，高吸收率和长效稳定性；铜铟硒(CIS) 和相关的材料 (CuInSe2, Cu(InxGa1-x)Se2, CuIn(SxSe1-x)2)被认为非常有可能在光伏电池应用方面替代多晶硅。虽然多晶的CIGS薄膜太阳能电池显示出其高达20%的能量转化率，但是它的广泛应用还没有实现。这是因为其制造过程中的真空共蒸发/喷溅旋涂法过程生产成本相对较高，很难大面积得到可控且均一的成分构成，而且使用Se或H2Se气体会造成环境染毒。最近一种低成本的涂膜技术被开发出来用于在透明导电基底上合成CIGS纳米晶体薄膜。在这个过程中，CIGS纳米晶体要先在溶剂中分散以制出涂膜用的涂料，然后在基底上经过热处理生成CIGS薄膜。然而，基于这些薄膜的设备能量转化率很低，这是因为CIGS纳米晶和基板之间的弱连接导致串联电阻很高。有一个减轻这个问题的可能途径，就是直接在透明导电基底上生长CIGS纳米结构。 一维核壳结构纳米电缆阵列最近引起强烈关注并被认为是光伏应用领域大有前景的结构。这是因为它可能与传统的平面pn结设备及纳米晶敏化太阳能电池在3方面竞争：(i) 1D纳米结构阵列通常具备优越的光吸收率，这是因为其光散射和光线留滞的形态。(ii)核壳结构纳米电缆提供了一个优势：大规模的供/受体结区域。它们独特的几何结构为充分的光吸收提供了足够的电缆长度，同时确保了光生电载流子贴近供/受体结. (iii)核壳结构纳米电缆为沿电缆的有效电荷传输提供了直接的一维导电路径。例如，将基于铟锡氧化物（ITO）玻璃基底的ZnO/CdTe 核壳结构纳米电缆阵列合成之后，将其作为光电极应用于太阳能，在AM（大气质量）1.5G辐照强度为100 mW cm-2的情况下将产出光电流密度为5.9mA cm-2的电流。Yang等人已经证明：在1sun辐照强度下，基于n-p核壳结构的硅纳米电缆阵列的短路电流和能量转化率分别达到了4.28mA cm-2和0.46%。他们也在报告中提出高密度的Si/TiO2核壳结构纳米电缆阵列显示出超过平面Si/TiO2结构2.5倍的光电流。基于这些考虑，生长在透明导电基底上的ZnO/CIS核壳结构纳米电缆阵列被认为是一个在光伏应用领域非常有前景的构型。 近来的许多努力一直对不同形态的CIS纳米结构制备做出了贡献，比如纳米晶 ，纳米棒，纳米丝，三角锥形纳米粒，六角形纳米环等。然而，据我们所知，CIS纳米管的合成还没有在各种报告中出现过。并且也没有任何有关基于透明导电基底的一维CIS纳米阵列的报告。鉴于此，我们的报告就是有关一个简单且廉价的方法，它被用来合成高度有序的CIS纳米管和可控铜铟比例的ZnO/CIS核壳结构纳米电缆（在用ZnO纳米管阵列作为模板的氟掺杂氧化锡（FTO）或铟锡氧化物镀膜玻璃基板上合成）阵列。以下是基于ZnO/CIS核壳结构纳米电缆阵列的太阳能电池的合成和表征。 结果和讨论 CIS纳米管合成方案 在不同基底上通过浸涂方法（温和条件下）能够成功合成ZnO纳米棒/丝阵列。我们用来合成CIS纳米管阵列的策略已经在方案1中有所阐述。ZnO (6.8×10-17)的溶度积常数（即Ksp）比ZnSe (3.6×10-26)和CuSe (7.94×10-49)都要大很多。这意味着ZnO纳米棒阵列可以用作牺牲模板来合成更稳定的ZnSe（通过阴离子交换法）并且进一步合成CuSe（通过阳离子交换法），最终得到ZnO/ CuSe核壳结构纳米电缆。通过在乙酸溶液中溶解ZnO/ZnSe内部的ZnO