CN102222572A - 纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法 - Google Patents

纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：步骤1：取一导电基片；步骤2：采用丝网印刷技术，在导电基片的表面印刷TiO2浆料；步骤3：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜，有利于染料的吸附；步骤4：在TiO2纳米晶多孔膜上沉积ZnO晶种层3，有利于ZnO纳米线的外延生长；步骤5：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层上外延生长ZnO纳米线阵列，有利于光生电子的直线传输并加快电荷分离，完成ZnO纳米线阵列4和TiO2纳米晶多孔膜纳米复合光阳极的制备。

Description

纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法
技术领域
本发明涉及新能源的开发与利用研究领域，具体涉及一种纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法。
背景技术
随着能源危机与环境恶化问题的日益加重，开发和利用一种新能源迫在眉睫。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源，受到人类的广泛关注；而太阳能电池作为可以直接将太阳能转换为电能的光电器件，更是受到各国研究者的极力追捧。当前太阳能电池的主流产品是硅基太阳能电池，而硅原料的短缺和昂贵价格在很大程度上限制了太阳能电池的普遍应用。染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell，简称DSSC)是一种新型光电器件，它具有丰富的资源、稳定的性能、简单的生产工艺和低廉的价格等优势，是一种具有竞争力的商业化产品。
染料敏化太阳能电池由光阳极、光敏染料、电解质和对电极四部分组成，其中光阳极是DSSC电池的核心部件，其结构和组成强烈影响着电池的光电性能。传统的DSSC的光阳极普遍采用TiO2纳米晶多孔膜组成，此电极结构为电池提供了大的比表面积，有利于染料的吸附，但是此电极同时存在大量晶界和表面态，抑制了电子的传输、并加快了电子的反向复合，制约了电池效率的提高。
ZnO的载流子迁移率比TiO2高将近10倍，将ZnO纳米线阵列引入到DSSC的光阳极中，可以为电子传输提供直接的途径，有利于减小电池内阻，降低电荷复合并提高电池的光电转换效率。而目前报道的ZnO基染料敏化太阳能电池效率都很不理想，主要原因是此类电极的比表面积较小，吸附的染料有限，抑制了电池效率的提高。
本发明在TiO2纳米晶多孔膜表面生长ZnO纳米线阵列，可将两种结构的优点结合起来，从而有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，该复合电极在为电池提供大比表面积的同时加快了电子的传输、减少了电子的反向复合，改善了染料敏化太阳能电池的光电性能。
本发明提供一种纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取一导电基片；
步骤2：采用丝网印刷技术，在导电基片的表面印刷TiO2浆料；
步骤3：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜，有利于染料的吸附；
步骤4：在TiO2纳米晶多孔膜上沉积ZnO晶种层3，有利于ZnO纳米线的外延生长；
步骤5：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层上外延生长ZnO纳米线阵列，有利于光生电子的直线传输并加快电荷分离，完成ZnO纳米线阵列4和TiO2纳米晶多孔膜纳米复合光阳极的制备。
其中在导电基片上丝网印刷TiO2浆料的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在温度为120℃时干燥5分钟。
其中对TiO2浆料层进行加热时，是采取分步升温的方式，从室温至150℃，升温速度为1-3℃/min，之后以5℃/min升温至500℃，在500℃时保持20-40分钟。
其中在TiO2纳米晶多孔膜的表面沉积ZnO晶种层时，采用的方法是磁控溅射、蒸镀或溶胶-凝胶的方法。
其中ZnO晶种层的厚度为200-300nm。
其中外延生长ZnO纳米线阵列时，采用的方法是水热化学反应法，采用的锌源为硝酸锌或醋酸锌溶液，该硝酸锌或醋酸锌溶液的浓度为50mM-100mM，该水热反应溶液的pH值为9.8-10.3，反应温度为90-120℃，反应时间为5-12小时。
其中导电基片是导电玻璃或导电塑料。
本发明的有益效果在于：
本发明的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其是在TiO2纳米晶多孔膜的表面生长ZnO纳米线阵列，促进了电荷分离，加快了电子传输并减少了电子反向复合，同时为DSSC提供了大比表面积，保障电极具有较高的光捕获效率，可以大幅度提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
附图说明
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是ZnO纳米线阵列和TiO2纳米晶多孔膜复合光阳极的示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取一导电基片1，该导电基片1是导电玻璃或导电塑料，首先对导电基片1进行充分的清洗，将其分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声20分钟，并用氮气吹干，待用；
步骤2：采用丝网印刷技术，在导电基片1的表面印刷TiO2浆料，其中TiO2浆料的有效成分是P25(一种锐钛矿与金红石相TiO2纳米颗粒的混合物，锐钛矿与金红石相TiO2的质量比为2∶1)或纯锐钛矿相TiO2纳米颗粒，纳米颗粒采用水热法或溶胶-凝胶法制备，TiO2纳米颗粒的平均粒径是25-50nm，TiO2浆料的溶剂为松油醇等有机物质。在进行丝网印刷时，首先用乙醇对印刷板和刮板进行清洗，然后对其用吹风机吹干，最后调节好丝网印刷板上网眼与导电基片1的位置。所述的丝网印刷TiO2浆料的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在温度为120℃的烘箱中干燥5分钟，防止多次印刷时已经印刷好的TiO2浆料层与丝网印刷板粘连；
步骤3：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜2，所述的对TiO2浆料层进行加热时，是采取分步升温的方式，从室温至150℃，升温速度为1-3℃/min，开始加热时较慢的升温速率有利于预防TiO2纳米晶多孔膜2的表面由于热应力和表面张力的作用导致的破裂，之后以5℃/min升温至500℃，在500℃时保持20-40分钟，在500℃时加热20-40分钟是为了充分挥发掉TiO2浆料中的有机物质，使TiO2纳米颗粒之间的空间变成介孔，得到TiO2纳米晶多孔膜2。
步骤4：在TiO2纳米晶多孔膜2上沉积ZnO晶种层3，所述的在TiO2纳米晶多孔膜2上沉积ZnO晶种层3是采用磁控溅射、蒸镀或溶胶-凝胶的方法，该ZnO晶种层3的厚度为200-300nm，该ZnO晶种层3的作用是降低纳米晶多孔膜2与ZnO纳米线之间的晶格失配，有利于ZnO纳米线在ZnO晶种层3的表面外延取向生长；
步骤5：采用水热化学反应法在ZnO晶种层3上外延生长ZnO纳米线阵列4，其中外延生长ZnO纳米线阵列4时，采用的锌源为硝酸锌或醋酸锌溶液，该硝酸锌或醋酸锌溶液的浓度为50mM-100mM，通过在该硝酸锌或醋酸锌溶液中加入氨水、碳酸氢铵、氢氧化钠或六亚甲基四胺等碱性物质，使水热反应溶液的pH值为9.8-10.3，将配好的溶液放入带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，把ZnO晶种层3保持面朝下倾斜放置在反应釜中，封釜，采用的水热反应温度为90-120℃，反应时间为5-12小时，反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出沉积ZnO晶种层3的导电基片1，先用去离子水反复冲洗ZnO晶种层3的表面，然后将该水热反应后的ZnO晶种层3在80℃恒温干燥箱中干燥12小时，得到ZnO纳米线阵列4。该ZnO纳米线阵列4为光生电子提供了直线传输的途径，减少了光生电子的传输时间和路径，加快了电荷分离，并降低了光生电子反向复合的几率。
通过改变水热反应的条件：如反应时间、反应温度、水热反应溶液的浓度和pH值，可控制ZnO纳米线的直径和长度；TiO2纳米晶多孔薄膜2的厚度可以通过调节印刷浆料的用量、印刷力度和印刷次数控制，通过对这两方面的控制可实现ZnO纳米线阵列4和TiO2纳米晶多孔薄膜2复合光阳极的可控制备。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取一导电基片；
步骤2：采用丝网印刷技术，在导电基片的表面印刷TiO2浆料；
步骤3：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜，有利于染料的吸附；
步骤4：在TiO2纳米晶多孔膜上沉积ZnO晶种层3，有利于ZnO纳米线的外延生长；
步骤5：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层上外延生长ZnO纳米线阵列，有利于光生电子的直线传输并加快电荷分离，完成ZnO纳米线阵列4和TiO2纳米晶多孔膜纳米复合光阳极的制备。
2.根据权利要求1所述的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其中在导电基片上丝网印刷TiO2浆料的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在温度为120℃时干燥5分钟。
3.根据权利要求1所述的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其中对TiO2浆料层进行加热时，是采取分步升温的方式，从室温至150℃，升温速度为1-3℃/min，之后以5℃/min升温至500℃，在500℃时保持20-40分钟。
4.根据权利要求1所述的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其中在TiO2纳米晶多孔膜的表面沉积ZnO晶种层时，采用的方法是磁控溅射、蒸镀或溶胶-凝胶的方法。
5.根据权利要求4所述的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其中ZnO晶种层的厚度为200-300nm。
6.根据权利要求1所述的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其中外延生长ZnO纳米线阵列时，采用的方法是水热化学反应法，采用的锌源为硝酸锌或醋酸锌溶液，该硝酸锌或醋酸锌溶液的浓度为50mM-100mM，该水热反应溶液的pH值为9.8-10.3，反应温度为90-120℃，反应时间为5-12小时。
7.根据权利要求1所述的纳米线阵列/纳米晶多孔膜复合结构光阳极的制备方法，其中导电基片是导电玻璃或导电塑料。
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