本發(fā)明涉及一種基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器及其制備方法，屬于新材料及其應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著人類社會(huì)的發(fā)展以及化石能源的日益枯竭，能源危機(jī)已經(jīng)越來(lái)越成為當(dāng)今社會(huì)需要解決的首要問(wèn)題。如何開(kāi)發(fā)新型能源，尋求解決能源危機(jī)的新途徑已經(jīng)迫在眉睫。自然界中的太陽(yáng)光取之不盡、用之不竭，是非常理想的清潔能源。但是，目前的太陽(yáng)能利用方式，包括光熱轉(zhuǎn)換器、太陽(yáng)能電池等普遍具有轉(zhuǎn)換率低，不能充分利用光能的缺點(diǎn)。所以，開(kāi)發(fā)研究新型材料及其器件，將太陽(yáng)光能高效率地轉(zhuǎn)化為電能具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

類似于石墨烯，二維納米結(jié)構(gòu)的二硫化鎢(WS₂)具有其他形貌無(wú)法比擬的電學(xué)、光學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)。由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)和組成，二硫化鎢已經(jīng)廣泛應(yīng)用于潤(rùn)滑劑以及催化劑等領(lǐng)域。此外，二硫化鎢在鋰電池、儲(chǔ)氫、電化學(xué)、光催化劑等方面也有著廣泛的應(yīng)用前景。在光學(xué)領(lǐng)域，二硫化鎢由于其帶隙在1.7-2.0eV左右，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有著出眾的吸收能力。但是，由于其光生電子和空穴極易重新復(fù)合，其光催化能力欠佳；其光生電子不能有效的傳導(dǎo)利用，也限制了這類材料在光電轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

因此，本發(fā)明提出采用碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款高效光電轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明所使用的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)為按照本發(fā)明人在發(fā)明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法”(見(jiàn)專利號(hào)或申請(qǐng)?zhí)枺褐袊?guó)專利201610322521.8)中所提出的方法合成的產(chǎn)品。本發(fā)明所采用的這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)核是碳纖維，外殼是成陣列狀的二硫化鎢納米片；當(dāng)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料被光照時(shí)，既能充分利用二硫化鎢納米片帶隙較小的特點(diǎn)，提高可見(jiàn)光的吸收率，還能利用碳纖維的良好的導(dǎo)電性能，促進(jìn)光生電子和空穴的分離，提高光電轉(zhuǎn)化效率。因此，本發(fā)明所制備的光電轉(zhuǎn)換器，能高效地將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，可用作太陽(yáng)能發(fā)電裝置；而當(dāng)電容量較小并外接電信號(hào)探測(cè)器時(shí)，這種裝置還可以用作光信號(hào)靈敏探測(cè)器。此外，由于本發(fā)明所采用的這種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)外觀呈現(xiàn)纖維狀，產(chǎn)量大、密度高、純度高、形貌可控，因此本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，器件的制備設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，所制備的器件的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，產(chǎn)品收率高、成本低廉、生產(chǎn)過(guò)程清潔環(huán)保。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器及其制備方法。在所述光電轉(zhuǎn)換器中，采用本發(fā)明人在發(fā)明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法”(見(jiàn)專利號(hào)或申請(qǐng)?zhí)枺褐袊?guó)專利201610322521.8)中所合成的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料，并在該材料的碳纖維兩端構(gòu)建歐姆電極，然后并聯(lián)到太陽(yáng)能接收裝置中，在低壓電場(chǎng)下促使光生電子定向移動(dòng)，并與電器(用電設(shè)備或電流信號(hào)倍增器、檢測(cè)器)串聯(lián)組合，即得到所述光電轉(zhuǎn)換器。由于本發(fā)明所采用的這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的內(nèi)核是碳纖維，外殼是成陣列狀的二硫化鎢納米片；當(dāng)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料被光照時(shí)，既能充分利用二硫化鎢納米片帶隙較小的特點(diǎn)，提高可見(jiàn)光的吸收率，還能利用碳纖維的良好的導(dǎo)電性能，促進(jìn)光生電子和空穴的分離，提高光電轉(zhuǎn)化效率。因此，本發(fā)明所制備的光電轉(zhuǎn)換器，能高效地將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，可用作太陽(yáng)能發(fā)電裝置；而當(dāng)電容量較小并外接電信號(hào)探測(cè)器時(shí)，這種裝置還可以用作光信號(hào)靈敏探測(cè)器。此外，由于本發(fā)明所采用的這種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)外觀呈現(xiàn)纖維狀，產(chǎn)量大、密度高、純度高、形貌可控，因此本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，器件的制備設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，所制備的器件的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，產(chǎn)品收率高、成本低廉、生產(chǎn)過(guò)程清潔環(huán)保。

為了達(dá)成上述目標(biāo)，本發(fā)明提出的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器及其制備方法，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換器采用碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料，并在每根碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳纖維兩端構(gòu)建歐姆電極，然后并聯(lián)到太陽(yáng)能接收裝置中，與低壓電源和電器串聯(lián)組合，即得到所述光電轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明提出的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器的制備方法，包括以下步驟和內(nèi)容：

(1)選取碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料，將其兩端的二硫化鎢納米片剝離，裸露出其中間的碳纖維。

(2)將其生長(zhǎng)有二硫化鎢納米片的部分放置到絕緣基片上，在其裸露的碳纖維兩端上構(gòu)建歐姆電極，然后并聯(lián)到太陽(yáng)能接收裝置的兩端電極上。

(3)將太陽(yáng)能接收裝置外接低壓電源，并和電器串聯(lián)組合。

(4)封裝，備用。

在上述制備方法中，所述步驟(1)中，所采用的光電轉(zhuǎn)換材料為碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)，是按照本發(fā)明人在發(fā)明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法”(見(jiàn)專利號(hào)或申請(qǐng)?zhí)枺褐袊?guó)專利201610322521.8)中所提出的方法合成的。

在上述制備方法中，所述步驟(1)中，將碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)兩端的二硫化鎢納米片剝離的方法為機(jī)械剝離、化學(xué)腐蝕、激光侵蝕之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中，絕緣基片為表面氧化了的硅片、石英玻璃片、高純氧化鋁片之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中，在碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳纖維兩端上構(gòu)建歐姆電極的方法為半導(dǎo)體微加工、焊接、敷涂導(dǎo)電漿料之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(2)中，在碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳纖維兩端上構(gòu)建的歐姆電極的電極材料為鉑、銀、金、鎳、銅、導(dǎo)電炭膠之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中，太陽(yáng)能接收裝置中的透明外殼為石英玻璃片、透明塑料片、纖維素復(fù)合薄膜之一種。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中，外接低壓電源為0.01-10V的電源。

在上述制備方法中，所述步驟(3)中，當(dāng)所述光電轉(zhuǎn)換器用作太陽(yáng)能發(fā)電裝置時(shí)，電器為用電設(shè)備，如照明設(shè)備；當(dāng)用作光信號(hào)靈敏探測(cè)器時(shí)，電器為電流信號(hào)檢測(cè)器(含信號(hào)倍增器)。

采用本技術(shù)制備的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器，器件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，器件的制備設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，器件的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，產(chǎn)品收率高、成本低廉、生產(chǎn)過(guò)程清潔環(huán)保。這種結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器，根據(jù)電容量的大小和外接電器的不同，本發(fā)明提出的高效光電轉(zhuǎn)換器可分別用作太陽(yáng)能發(fā)電裝置或者光信號(hào)探測(cè)器。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例1所制得的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)示意圖(其中，1為透明外殼；2為光電轉(zhuǎn)換材料，即碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)；3為太陽(yáng)能接收裝置的電極；4為太陽(yáng)能接收裝置的絕緣基片；5為外接低壓電源；6為電器，即用電設(shè)備或者電流信號(hào)檢測(cè)器)。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例1所制得的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器的光電流響應(yīng)曲線。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明提出的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器及其制備方法，其特征在于，所述光電轉(zhuǎn)換器采用碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料，并在每根碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的碳纖維兩端構(gòu)建歐姆電極，然后并聯(lián)到太陽(yáng)能接收裝置中，與低壓電源和電器串聯(lián)組合，即得到所述光電轉(zhuǎn)換器。并包括如下步驟和內(nèi)容：

(1)選取按照本發(fā)明人在發(fā)明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法”(見(jiàn)專利號(hào)或申請(qǐng)?zhí)枺褐袊?guó)專利201610322521.8)中所提出的方法合成的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作為光電轉(zhuǎn)換材料，用機(jī)械剝離、化學(xué)腐蝕或激光侵蝕法將其兩端的二硫化鎢納米片剝離，裸露出其中間的碳纖維。

(2)將其生長(zhǎng)有二硫化鎢納米片的部分放置到表面氧化了的硅片、石英玻璃片或高純氧化鋁片絕緣基片上，用半導(dǎo)體微加工、焊接或敷涂導(dǎo)電漿料方法在其裸露的碳纖維兩端上構(gòu)建歐姆電極，其電極材料為鉑、銀、金、鎳、銅或?qū)щ娞磕z。然后并聯(lián)到太陽(yáng)能接收裝置的兩端電極上。

(3)將表面裝有石英玻璃片、透明塑料片或纖維素復(fù)合薄膜透明外殼的太陽(yáng)能接收裝置外接串聯(lián)0.01-10V的低壓電源，然后和電器(用電設(shè)備或電流信號(hào)檢測(cè)器)串聯(lián)組合。

(4)封裝，備用。

所得到的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器外觀上為平板式裝置。

在50-500W氙燈光源照射下，外接0.01-10V電壓下進(jìn)行I-t測(cè)試，本發(fā)明提出的這種光電轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)異的光響應(yīng)特性，其光生電流較相同條件下采用純WS₂納米片作為光電轉(zhuǎn)換材料所制備的光電轉(zhuǎn)換器的性能提高6倍。

總之，用本技術(shù)能得到高性能的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器。

實(shí)施例1：將按照本發(fā)明人在發(fā)明專利“一種碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)及其制備方法”(見(jiàn)專利號(hào)或申請(qǐng)?zhí)枺褐袊?guó)專利201610322521.8)中所提出的方法合成的一束質(zhì)量為10mg、直徑為約10μm、長(zhǎng)度約3cm的碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)作作為電轉(zhuǎn)換材料，用機(jī)械剝離的方法將其兩端的二硫化鎢納米片進(jìn)行剝離，然后將其安裝到太陽(yáng)能接收裝置中的表面經(jīng)氧化的硅片上；在其裸露的碳纖維兩端上焊接上銅絲構(gòu)建歐姆電極，然后并聯(lián)到太陽(yáng)能接收裝置的電極上；在太陽(yáng)能接收裝置表面覆蓋一層石英玻璃片透明外殼，并串聯(lián)外接電壓為1V的電源和光電流探測(cè)器，即得到一種所述基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的高效光電轉(zhuǎn)換器。

所制備的基于碳纖維@二硫化鎢納米片核殼復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電轉(zhuǎn)換器外觀上為平板式裝置(見(jiàn)圖1)；本發(fā)明提出的這種光電轉(zhuǎn)換器的制備方法設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單、制備條件嚴(yán)格可控、產(chǎn)品收率高、成本低廉，且制備方法經(jīng)濟(jì)環(huán)保；本發(fā)明提出的這種光電轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，光電響應(yīng)性能良好(見(jiàn)圖2)；其光生電流較相同條件下采用相同質(zhì)量的純二硫化鎢納米片作為光電轉(zhuǎn)換材料所制備的光電轉(zhuǎn)換器的性能提高6倍。