CN101030606A - 一维CuO纳米针/Cu基板材料在染料太阳能电池中的应用 - Google Patents

一维CuO纳米针/Cu基板材料在染料太阳能电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一维CuO纳米针/Cu基板材料及在染料太阳能电池中的应用方法。该材料是采用脉冲电沉积技术，在金属Cu基板电沉积一层纳米晶Cu薄膜，然后将该薄膜置于加热炉中，在空气温度750±50℃范围内热氧化1－2小时，制备一维CuO纳米针材料。将制备的一维CuO纳米针/Cu基板材料作为“TCO导电玻璃/TiO2纳米晶/染料/CuO纳米针/Cu基板”的太阳能电池阴极材料，进而测量其光电转换效率η。由于CuO(Ф＝5.3eV)的逸出功与金属Pt(Ф＝5.65eV)的相近，同时p型CuO材料具有很高的空穴迁移率(0.1cm2V－1S－1)，因此，它可以取代金属Pt电极用于太阳能电池的阴极材料，并可极大的降低太阳能电池的生产成本，从而有利于太阳能电池的实际应用和推广。

Description

一维CuO纳米针/Cu基板材料在染料太阳能电池中的应用
技术领域
本发明涉及一维CuO纳米针/Cu基板材料的合成及其在作染料太阳能电池阴极材料的应用，属纳米材料与纳米技术领域。
背景技术
能源短缺与环境污染是目前人类面临的两大问题。随着世界经济的大发展，特别是中国经济近20多年来平均每年以7％～8％的速度增长，大大加大了对能源的需求量。然而，煤炭、石油、天然气等化石染料(或称初级能源)在地球上的储藏量有限，不是取之不尽、用之不竭。不仅如此，使用化石染料排放大量CO2、NxO、碳氢化合物及硫化物等污染物，导致温室效应、酸雨、臭氧层破坏等环境污染问题，严重危害人类身心健康。基于以上原因，开发新型清洁能源已引起世界各国的重视。
在人类可以预测的未来时间内，太阳能作为人类取之不尽、用之不竭的洁净能源，不产生任何的环境污染，且基本上不受地理条件的限制，因此太阳能利用技术研究引起了各国科学家的广泛重视。由于纳米技术的诱人前景和广阔的经济和社会效益，将太阳能电池与纳米技术相结合的开发应用更成为研究的热点。当前，太阳能电池的发展存在两个方向和难题：一是提高太阳能电池的光-电转换效率η；二是降低太阳能电池的生产成本，从而有利于太阳能电池在工业生产、人们日常生活中以及在农村等偏远地区的广泛应用和推广。但是，降低染料太阳能电池的成本与提高光电转换效率是当前染料太阳能电池研究的难点和制约其进一步推广和实用的瓶颈。
目前的研究都是集中在改进太阳能电池的阳极材料上，与阳极材料相对应的是Pt/TCO导电玻璃(透明导电光学玻璃，掺氟氧化锡玻璃，有效透射率大于80％)，因此阴极的成本依然昂贵，在此方面的研究依然很少。本发明通过在金属Cu基板上电沉积一层金属Cu纳米晶，在空气热氧化制备定向的一维CuO纳米针材料，并作为染料太阳能电池的阴极材料，测量其光电转换效率η。该方法工艺简单，对设备要求低，重现性好，可控程度高，符合环境要求，并大大降低了染料太阳能电池的合成成本，有利于染料太阳能电池的进一步应用和推广。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种一维CuO纳米针/Cu基板材料及在染料太阳能电池阴极材料的应用，
本发明提供的技术方案是：采用脉冲电沉积技术在金属Cu基板表面电沉积一层纳米晶Cu薄膜，然后将纳米晶Cu薄膜在空气中于温度750±50℃下加热1-2小时，热氧化制备一维CuO纳米针材料。将制得的一维CuO纳米针材料/Cu基板作为结构为“ITO导电玻璃/TiO2纳米晶/染料/CuO纳米针/Cu基板”的染料太阳能电池阴极材料，取代传统的染料太阳能电池中阴极材料-金属Pt电极，测量和检测该染料太阳能电池的光电转换效率η。
上述制备电沉积纳米晶、一维CuO纳米针材料以及染料太阳能电池的工艺特征及参数范围是：脉冲电沉积参数为：输出脉冲频率f为100Hz，占空比r为10％；热氧化温度范围为750±50℃，热氧化时间1-2小时；染料太阳能电池结构为“ITO导电玻璃/TiO2纳米晶/染料/CuO纳米针/Cu基板”。
纳米晶Cu薄膜在空气中于温度750±50℃下加热1-2小时，热氧化制备的一维CuO纳米针材料，存在大量的阵列排列的针状产物，其直径一般为35-45纳米，长度超过10微米
由于CuO(Φ＝5.3eV)的逸出功与金属Pt(Φ＝5.65eV)的相近，同时p型CuO材料具有很高的空穴迁移率(0.1cm2V-1S-1)，因此，它可以取代金属Pt电极用于太阳能电池的阴极材料，并可极大的降低太阳能电池的生产成本，从而有利于太阳能电池的实际应用和推广。
本发明采用空气中热氧化纳米晶Cu薄膜制备一维CuO纳米针材料，用于染料太阳能电池的阴极材料，工艺简单，可控程度高，符合环境要求，成本低廉。
附图说明
图1为实施例1在不同温度下热氧化纳米晶Cu薄膜制得的一维CuO纳米针产物的SEM图。图中(a)700℃；(b)800℃；(c)900℃；(d)1000℃。
图2：为实施例1中在700℃下热氧化纳米晶Cu薄膜合成的一维CuO纳米针材料的SEM图。(a)为低倍SEM图，(b)为高倍SEM图
图3：为实施例1中在700℃下合成的一维CuO纳米针作为染料太阳能电池阴极材料的光电转换效率I-V曲线。
具体实施方式
实施例1：
(1)采用脉冲电沉积技术，采取输出脉冲频率f为100Hz、占空比r为10％的脉冲电沉积参数，在金属Cu基板表面电沉积一层纳米晶Cu薄膜；(2)将纳米晶Cu薄膜在空气中不同的加热温度(700℃、800℃、900℃、1000℃)下加热1-2小时，热氧化制备一维CuO纳米针，扫描电镜(SEM)实验结果如附图1所示(图中(a)700℃；(b)800℃；(c)900℃；(d)1000℃)；(3)将加热温度为700℃下制备的一维CuO纳米针材料/Cu基板作为染料太阳能电池的阴极材料(阴极材料的SEM实验结果如附图2所示)，TiO2纳米晶材料作为阳极材料，并经过联吡啶钌染料(N3，(Bu4N)2Ru(dcbpyH)2(NCS)2)的无水乙醇溶液敏化处理，采用液体电解液(LiI，I2，溶解在3-甲氧基丙腈(MePN，3-methoxypropionitrile)的四叔丁基吡啶(4-erbutylpridine))，组装成结构为“ITO导电玻璃/TiO2纳米晶/染料/CuO纳米针/Cu基板”的染料太阳能电池；(4)在一剂量的模拟太阳光下(100毫瓦/厘米2)，采用光度计测量和检测该结构的染料太阳能电池的光电转换效率η(I-V关系)，光电转换效率I-V曲线见附图3。
按以上实验参数参照实施例1的方法即可实现热氧化纳米晶Cu薄膜制备一维CuO纳米针材料及其在染料太阳能电池阴极材料的应用。
实施例1图1说明合成产物的SEM图表明在700℃、800℃下，可以制备出大量的、整齐排列的氧化铜纳米针阵列；随着温度升高，纳米针的密度越来越低，同时伴随着大量的熔融堆积产生的团簇状颗粒。
图2图2(a)为低倍SEM图，图2(b)为高倍SEM图，这表明合成产物存在大量的阵列排列的针状产物，其直径一般为35-45纳米，长度超过10微米。
图3I-V曲线表明一维CuO纳米针作为染料太阳能电池阴极材料的光电转换效率为1.12％，填充因子为0.37。

Claims (3)

1、一种染料太阳能电池阴极材料，其特征在于：该阴极材料为一维CuO纳米针/Cu基板结构材料，它由如下方法步骤制得：(1)采用脉冲电沉积技术在金属Cu基板表面电沉积一层纳米晶Cu薄膜；(2)将纳米晶Cu薄膜在空气中750±50℃加热1-2小时，热氧化制备一维CuO纳米针；(3)制备的一维CuO纳米针/Cu基板结构材料，作为染料太阳能电池阴极材料。
2、根据权利要求1所述的染料太阳能电池阴极材料，其特征在于：制备该染料太阳能电池阴极材料时的脉冲电沉积参数为：输出脉冲频率f为100Hz，占空比r为10％。
3、权利要求1所述的染料太阳能电池阴极材料的应用的方法，其特征在于：将加热温度为750±50℃时制备的一维CuO纳米针/Cu基板结构作为“TCO导电玻璃/TiO2纳米晶/染料/CuO纳米针/Cu基板”的染料太阳能电池阴极材料，并测量和检测该结构的染料太阳能电池的光电转换效率η。
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