CN108394859A - 一种硅基宽光谱吸收光热转换材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅基宽光谱吸收光‑热转换材料，包括设有互联纳米线的核壳结构本体，所述核壳结构本体包括上部结构和下部结构；所述上部结构的纳米线上镶嵌有合金量子点，所述下部结构的纳米线上嫁接有纳米线；所述互联纳米线、镶嵌的合金量子点以及嫁接的纳米线构成三维纳米分级结构。本发明设计的纳米分级结构不仅可以有效利用一维纳米线阵列的陷光特性，提高光的捕获能力。而且，此核壳纳米线结构在高温还原的过程中可以生成合金量子点镶嵌在互联的核壳纳米线上，通过金属的局域表面等离激元效应增强Si或Ge等壳层材料对太阳光的吸收能力。此外，能够有效利用金属纳米颗粒的光热特性将吸收的光转换成热量局域在器件表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种光热转换材料及其制备方法,更具体来说是涉及一种具有合金量子点镶嵌的互联的三维硅基纳米分级结构光热转换材料及其制备方法；属于光热转换领域。
背景技术
太阳能是人类可开发利用的最丰富的能源。作为一种清洁能源，太阳能开发利用的过程中不会造成环境污染。目前对太阳能的开发利用主要有光热转换、光电转换及光化学转换等方式。太阳能光热应用是利用太阳能最简单、最直接、最有效的途径之一。光热转换在海水淡化，水处理，化工，灭菌，生物医学等领域展现出很好的应用前景。地球表面每天接收到的太阳能远远超过全世界一年的能源需求。国际能源署的统计数据显示，在全球4%的沙漠上安装太阳能光伏***，就足以满足全球能源需求。然而，太阳光到达地球后能量密度较小又不连续，很难进行大规模的开发利用，再加上转换过程中的光学及热学损耗，限制了转换效率。
基于此，设计一种能够宽光谱、高效率吸收太阳光并实现高效光-热转换的材料变得尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种以互联的核壳纳米线为基础的上层镶嵌合金量子点，下层嫁接纳米线的三维纳米分级结构；降低了反射率及透射率，提高宽光谱吸收效率，极大地提高了光热转换效率。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种硅基宽光谱吸收光热转换材料，其特征在于：包括设有互联纳米线的核壳结构本体，所述核壳结构本体包括上部结构和下部结构；所述上部结构的纳米线上镶嵌有合金量子点，所述下部结构的纳米线上嫁接有纳米线；所述互联纳米线、镶嵌的合金量子点以及嫁接的纳米线构成三维纳米分级结构。
本发明进一步限定的技术特征为：所述核壳结构纳米线为互联的Si或Ge或两者的复合材料包覆金属氧化物纳米线的核壳结构纳米线。
进一步的，所述金属氧化物纳米线为CuO纳米线或Fe2O3纳米线或NiO纳米线或ZnO纳米线或以上几种的复合结构。
进一步的，所述核壳结构纳米线的纳米壳层为Si或Ge或两者的复合材料。
进一步的，所述镶嵌的合金量子点为Si或Ge或两者的复合材料包覆Cu或Fe或Ni或Zn等金属形成的核壳结构纳米颗粒。
进一步的，所述嫁接的纳米线为硅纳米线或锗纳米线。
本发明还涉及一种硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤：
1）生长基底制备
将厚度为0.3-0.5mm，孔隙度大于95%的金属泡沫在乙醇溶液中清洗后作为生长基底；
2）核壳纳米线核芯的制备：
将生长基底在空气气氛中400-600℃退火3-5h，生长出交叉的金属氧化物纳米线；
3）核壳纳米线壳层的制备及互联结构的形成:
沉积Si或Ge材料，得到Si或Ge包覆金属氧化物的互联核壳结构纳米线；Si材料可以是非晶硅（a-Si）也可以是晶体硅(c-Si)；Ge材料可以是非晶锗（a-Ge）也可以是晶体锗(c-Ge),包括但不限于此。形成的CuO @ Si或Ge的核壳结构可以是纳米线体系，也可以是纳米颗粒的混合体系或者粉末体系，包括但不限于此。
4）催化剂的加入：
热蒸发***中，在核壳结构本体下部的核壳纳米线上热蒸发3-20nm 的Sn作为催化剂；
5）下部嫁接纳米线：
PECVD***中，通过Sn催化，在蒸发了Sn的下部核壳纳米线上嫁接纳米线形成Si/Ge包覆金属氧化物后再嫁接Si/Ge纳米线的分级下层结构；
6）上部镶嵌合金量子点：
退火炉中，400-600℃ 加入还原剂退火3-5 h，在未蒸发Sn的上部核壳纳米线上形成合金量子点镶嵌的分级上层结构；
7）钝化层制备：
ALD***中，包覆Al2O3作为表面钝化层在制备的纳米分级结构表面形成一层稳定的SEI膜。
本发明进一步限定的技术方案为：在3）步中，沉积Si/Ge材料采用化学气相沉积CVD、等离子体化学气相沉积PECVD或物理气相沉积PVD。
进一步的，在5）步中，硅/锗包覆金属氧化物后嫁接的纳米线为硅纳米线或锗纳米线。
进一步的，在6）步中，所述还原剂为还原性气体H2或CO或还原性固体碳粉/石墨烯/碳纳米管。
进一步的，在1）步中，所述生长基底为不锈钢衬底/铜箔/泡沫铜/泡沫锌/泡沫铁。
本发明的有益效果是：本发明设计的纳米分级结构不仅可以有效利用一维纳米线阵列的陷光特性，提高光的捕获能力，而且此核壳纳米线结构在高温还原的过程中可以生成合金量子点镶嵌在互联的核壳纳米线主干上，通过金属的局域表面等离激元效应增强Si/Ge等壳层材料对太阳光的吸收能力。此外，能够有效利用金属纳米颗粒的光热特性将吸收的光转换成热量局域在器件表面。互联的纳米分级结构可以使光在结构内部发生多次反射，捕获的光在材料表面的任意角度都被充分吸收，有效降低入射光的反射率及透射率，提高光吸收效率。制备的互联纳米分级结构可以实现高效的光-热转换。该材料凭其优异的稳定性和抗腐蚀性,既可以应用于太阳能海水淡化，又可以作为太阳光吸收器和热收集器应用于太阳能热光伏***。
附图说明
图1为本发明实施例纳米分级结构的制备过程示意图。
图2为本发明实施例镶嵌Cu3Si量子点的互联纳米分级结构上层SEM表征图。
图3 为本发明实施例嫁接c-Si纳米线的互联纳米分级结构下层SEM表征图。
图4 为本发明所述方法制备的一种光热转换材料的光谱吸收图。
图5为本发明实施例三维纳米分级结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施实例，并参照附图1至3，对本发明进一步详细说明。
本实施例给出的一种硅基宽光谱吸收光热转换材料，包括设有互联纳米线的核壳结构本体，所述核壳结构本体包括上部结构和下部结构；所述上部结构的纳米线上镶嵌有合金量子点，所述下部结构的纳米线上嫁接有纳米线；所述互联纳米线、镶嵌的合金量子点以及嫁接的纳米线构成三维纳米分级结构。如图5所示。
该硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法包括以下几个步骤：
1）将厚度为0.3-0.5mm、孔隙度大于95%的泡沫铜薄片在乙醇溶液中清洗20min后作为基底；
2）在空气气氛下450℃退火5h，生长出交叉的CuO 纳米线；
3）PECVD***中，在功率20W，温度250℃条件下，沉积非晶Si30min，得到直径约为100nm的互联CuO@a-Si核壳纳米线结构；
4）利用热蒸发技术在互联的CuO@a-Si核壳纳米线上蒸发3 nm Sn 作为催化剂；
5）PECVD***中，450℃通过Sn催化嫁接c-SiNWs形成分级的c-Si/CuO@a-Si NWs结构；
6）退火炉中，500℃下H2还原CuO@a-Si NWs结构，得到Cu3Si量子点镶嵌的CuO@a-SiNWs结构；
7）ALD原子层沉积***中,通过ALD包覆5nm Al2O3作为表面钝化层在制备的纳米分级结构表面形成一层稳定的SEI膜。
从SEM可以明显地看出本实施例以互联的核壳纳米线为基础的镶嵌Cu3Si量子点的上层及嫁接硅纳米线的下层构成了三维纳米分级结构。所制备材料的吸收光谱测试：如图4所示：本实施例所制备材料在200nm至2500nm的波长范围内入射光的吸收率均高于90%，200nm至2500nm波长范围内太阳光吸收率达到93.5%。而目前还未见有在200nm至2500nm的全波长太阳光吸收率均大90%的技术文件公开，而且目前还未见200nm至2500nm波长范围内太阳光吸收率超过93%的技术文件公开。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种硅基宽光谱吸收光热转换材料，其特征在于：包括设有互联纳米线的核壳结构本体，所述核壳结构本体包括上部结构和下部结构；所述上部结构的纳米线上镶嵌有合金量子点，所述下部结构的纳米线上嫁接有纳米线；所述互联纳米线、镶嵌的合金量子点以及嫁接的纳米线构成三维纳米分级结构。
2.根据权利要求1所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料，其特征在于：所述核壳结构本体的纳米线为Si或Ge或两者的复合材料包覆金属氧化物纳米线的互联核壳结构纳米线。
3.根据权利要求2所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料，其特征在于：所述金属氧化物纳米线为CuO纳米线或Fe2O3纳米线或NiO纳米线或ZnO纳米线或以上几种的复合结构。
4.根据权利要求3所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料，其特征在于：所述镶嵌的合金量子点为Si或Ge或两者的复合材料包覆Cu或Fe或Ni或Zn等金属形成的核壳结构纳米颗粒。
5.根据权利要求1所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料，其特征在于：所述嫁接的纳米线为硅纳米线或锗纳米线。
6.一种硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法，其特征在于包括以下几个步骤：
1）生长基底制备
将厚度为0.3-0.5mm，孔隙度大于95%的金属泡沫在乙醇溶液中清洗后作为生长基底；
2）核壳纳米线核芯的制备：
将生长基底在空气气氛中400-600℃退火3-5h，生长出交叉的金属氧化物纳米线；
3）核壳纳米线壳层的制备及互联结构的形成：
PECVD***中，在交叉的金属氧化物纳米线外沉积Si或Ge材料得到互联的Si或Ge包覆金属氧化物的核壳结构纳米线；
4）催化剂的加入：
热蒸发***中，在核壳结构本体下部的核壳纳米线上热蒸发3-20nm 的Sn作为催化剂；
5）下部嫁接纳米线：
PECVD***中，通过Sn催化，在蒸发了Sn的下部核壳纳米线上嫁接纳米线形成Si/Ge包覆金属氧化物后再嫁接Si/Ge纳米线的分级下层结构；
6）上部镶嵌合金量子点：
退火炉中，400-600℃ 加入还原剂退火3-5 h，在未蒸发Sn的上部核壳纳米线上形成合金量子点镶嵌的分级上层结构；
7）钝化层制备：
ALD***中，包覆Al2O3作为表面钝化层在制备的纳米分级结构表面形成一层稳定的SEI膜。
7.根据权利要求5所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法，其特征在于：在3）步中，沉积Si/Ge材料采用化学气相沉积CVD、等离子体化学气相沉积PECVD或物理气相沉积PVD。
8.根据权利要求5所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法，其特征在于：在5）步中，硅/锗包覆金属氧化物后嫁接的纳米线为硅纳米线或锗纳米线。
9.根据权利要求5所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法，其特征在于：在6）步中，所述还原剂为还原性气体H2或CO或还原性固体碳粉/石墨烯/碳纳米管。
10.根据权利要求5所述的硅基宽光谱吸收光热转换材料的制备方法，其特征在于：在1）步中，所述生长基底为不锈钢衬底/铜箔/泡沫铜/泡沫锌/泡沫铁等。
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