CN114551110A - 切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件 - Google Patents
切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114551110A CN114551110A CN202210164665.0A CN202210164665A CN114551110A CN 114551110 A CN114551110 A CN 114551110A CN 202210164665 A CN202210164665 A CN 202210164665A CN 114551110 A CN114551110 A CN 114551110A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- tio
- nanotube array
- nanotube
- electrolyte
- cut
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 134
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 10
- 239000002071 nanotube Substances 0.000 claims abstract description 100
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 91
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims abstract description 90
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N titanium dioxide Inorganic materials O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 71
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 52
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 47
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 9
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 claims abstract description 8
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 67
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 61
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 61
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 60
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 32
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 25
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 25
- MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N diethylene glycol Chemical compound OCCOCCO MTHSVFCYNBDYFN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 24
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 18
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 14
- 239000002238 carbon nanotube film Substances 0.000 claims description 13
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 12
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims description 11
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 10
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 10
- ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 7553-56-2 Chemical compound [I] ZCYVEMRRCGMTRW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 9
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 9
- 239000011630 iodine Substances 0.000 claims description 9
- 229910052740 iodine Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 6
- HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M lithium iodide Chemical compound [Li+].[I-] HSZCZNFXUDYRKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 6
- YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 4-tert-butylpyridine Chemical compound CC(C)(C)C1=CC=NC=C1 YSHMQTRICHYLGF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 5
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 potassium ferricyanide Chemical compound 0.000 claims description 3
- 239000000276 potassium ferrocyanide Substances 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- XOGGUFAVLNCTRS-UHFFFAOYSA-N tetrapotassium;iron(2+);hexacyanide Chemical compound [K+].[K+].[K+].[K+].[Fe+2].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-].N#[C-] XOGGUFAVLNCTRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 2
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 claims description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract 1
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 7
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 6
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 6
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 6
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 6
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 6
- 238000000445 field-emission scanning electron microscopy Methods 0.000 description 6
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 6
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 6
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 6
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 6
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 5
- YNPNZTXNASCQKK-UHFFFAOYSA-N Phenanthrene Natural products C1=CC=C2C3=CC=CC=C3C=CC2=C1 YNPNZTXNASCQKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- DGEZNRSVGBDHLK-UHFFFAOYSA-N [1,10]phenanthroline Chemical compound C1=CN=C2C3=NC=CC=C3C=CC2=C1 DGEZNRSVGBDHLK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 4
- 239000002048 multi walled nanotube Substances 0.000 description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- 239000003504 photosensitizing agent Substances 0.000 description 4
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 4
- 229910002476 CuII Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N Norphytane Natural products CC(C)CCCC(C)CCCC(C)CCCC(C)C XOJVVFBFDXDTEG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- CYKMNKXPYXUVPR-UHFFFAOYSA-N [C].[Ti] Chemical compound [C].[Ti] CYKMNKXPYXUVPR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- QKPVEISEHYYHRH-UHFFFAOYSA-N 2-methoxyacetonitrile Chemical compound COCC#N QKPVEISEHYYHRH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N Cu2+ Chemical compound [Cu+2] JPVYNHNXODAKFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L Sodium Sulfate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=O PMZURENOXWZQFD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- XLJKHNWPARRRJB-UHFFFAOYSA-N cobalt(2+) Chemical compound [Co+2] XLJKHNWPARRRJB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004699 copper complex Chemical class 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M lithium perchlorate Chemical compound [Li+].[O-]Cl(=O)(=O)=O MHCFAGZWMAWTNR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910001486 lithium perchlorate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000027756 respiratory electron transport chain Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052938 sodium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011152 sodium sulphate Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
- H01G9/20—Light-sensitive devices
- H01G9/2027—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode
- H01G9/2031—Light-sensitive devices comprising an oxide semiconductor electrode comprising titanium oxide, e.g. TiO2
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Abstract
本发明公开了一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件,控制反应条件调控TiO2纳米管阵列结构和碳纳米管长度/直径大小及比例;通过电泳的方法形成不同填充密度的碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;分别在无电解质和有电解质存在两种情况下将所获的系列结构差异的异质结构制备成全新的光伏器件。平均光电流密度从纯TiO2纳米管阵列的16μA/cm2增大到20~23μA/cm2;器件表现出0.01%~2%的效率。该器件制作方法简单,成本低,无污染,是有效利用太阳光的一种新型结构,拓宽了TiO2、碳纳米管在光伏领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及光伏器件的材料及构造方法,尤其涉及的是一种切断碳纳米管填充TiO2纳米管阵列的异质结构及其制备方法及全新光伏器件及其构造方法。
背景技术
太阳能作为一种新型能源一直受到人们的广泛关注,TiO2作为一种半导体材料,具有合适的禁带宽度,且成本低,化学稳定性好,已被广泛应用于太阳能电池。基于钛基底生长的TiO2纳米管阵列具有高度取向性,可为电子传递提供良好的路径,且制作方法简单,避免了有机合成的繁琐过程,为大规模卷对卷生产提供了可能。目前存在的TiO2纳米晶化学电池,其中的光敏剂成分需要复杂的有机合成且价格昂贵,限制了其发展。
发明内容
本发明针对现有技术的不足提供一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的制备方法,并将其用于全新的光伏器件。
本发明技术方案如下:
一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的制备方法,包括以下步骤:(1)阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列;(2)将碳纳米管在混酸溶液中加热搅拌,进行切断处理;(3)以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,通过电泳的方法使碳纳米管填充进TiO2纳米管阵列,在金属钛基底上形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
所述的制备方法,阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列,温度为室温,所用电解液体积配比为:95%一缩二乙二醇、2%氢氟酸溶液和3%去离子水,电压20V~55V,氧化时间0.5~24h。
所述的制备方法,所用碳纳米管直径为8~15nm,长度0.5~2μm;对碳纳米管进行混酸切割,浓H2SO4和浓HNO3的体积比为7:3~1:1,温度70~80℃,处理时间5~12h。
所述的制备方法,在切断碳纳米管悬浮液中,以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,在10~30V电压下进行电泳,此时氧化切断后带负电基团的碳纳米管会在外加电场的作用下进入到TiO2纳米管阵列,电泳时不断变换电压的方向和持续时间:正向持续5~30min,反向持续5~30min,重复10~30个来回,形成不同填充密度的碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
任一所述方法制备获得的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
所述的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构制备的光伏器件,将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底置于密封绝缘凹槽内,盖上对电极。
所述的光伏器件,取切断碳纳米管水溶液旋涂在透明导电玻璃上形成切断碳纳米管膜,干燥后用作对电极。
所述的光伏器件,将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底置于密封绝缘凹槽内,之后,将适量碘系电解质、铁系电解质、钴系电解质、铜系电解质或硫系电解质从边缘注入凹槽内,盖上对电极。
所述的光伏器件,碘系电解质为:0.5M碘化锂、0.05M碘和0.5M 4-叔丁基吡啶,溶剂均为乙腈。
所述的光伏器件,铁系电解质为:0.2M铁***和0.2M亚铁***,溶剂均为水。
所述的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构制备的光伏器件,氧化切断后的碳纳米管具有一定的带隙宽度,与TiO2形成合适的能级匹配,同时碳纳米管作为世界上最黑的材料,能够改善TiO2对光的吸收,所以在该光伏器件中,用碳纳米管作为光敏剂,制备出切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列光阳极,同时以带有碳纳米管的透明导电玻璃作为对电极,构造一种全新的钛-碳光伏器件,分别在无电解质和有电解质两种情况下进行性能测试,所得器件效率为0.01%~2%。
在无电解质的情况下,电子只是通过两种材料的直接接触进行传导;当加入电解质后,电子的传导主要有两种途径:(1)直接接触电子传导:碳纳米管作为光敏剂,吸收光能电子跃迁至导带,通过两种材料的直接接触传递到TiO2。(2)间接接触电子传导。添加适量电解质后,器件效率与无电解质时相比有所提高,这与碳纳米管和TiO2之间的接触点有关,电解质作为“桥梁”,实现电子和空穴的搬运,碳纳米管受光照激发,电子跃迁至导带,氧化态电解质接受电子变为还原态,将电子传递给TiO2后重新变为氧化态,以碘系电解质为例,具体过程如下公式:
(cut-MWCNTs)+hν→(cut-MWCNTs)* (1)
(cut-MWCNTs)*→(cut-MWCNTs)++e- (cb) (2)
I3 -+2e-(cb)→3I- (3)
TiO2+3I-→(TiO2)-+I3 - (4)
本发明具有以下有益效果:
1、碳纳米管廉价且容易获得,通过混酸处理可以在其表面引入含氧官能团,从而改变其带隙宽度,实现带隙可调,达到与TiO2合适的能级匹配,此外,混酸处理切断了碳纳米管,短的碳纳米管能够与TiO2更充分地结合,这为我们提供了一种潜在光敏剂。2、通过简单的电泳法制备了切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构,该结构相比于纯TiO2纳米管阵列具有更好的光电流响应。
3、基于切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构,制备了一种全新的光伏器件,该器件与传统光伏器件相比具有更低的成本,且制作方法简单。这是一次全新的尝试,为碳纳米管在钛-碳光伏器件中的应用提供了参考价值。
附图说明
图1为纯TiO2纳米管阵列的场发射扫描电镜(FESEM)图(a)和X射线衍射(XRD)图(b);
图2为原始碳纳米管(a)和切断碳纳米管(b)的透射电子显微镜(TEM)图;
图3为切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的场发射扫描电镜(FESEM)图;
图4为纯TiO2纳米管阵列,切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的光电流响应图;
图5为光伏器件结构图,1透明导电玻璃、2切断碳纳米管膜、3电解质、4切断碳纳米管、5TiO2纳米管阵列、6TiO2阻挡层、7金属钛基底;
图6为光伏器件在无电解质(实施例一)和添加铁系电解质(实施例三)的情况下的电流密度-电压(J-V)特性图。
具体实施方式
以下结合具体实施例,对本发明进行详细说明。
实施例一:
金属钛基底(纯钛箔)用砂纸打磨,清洗抛光后保存在去离子水中备用。铂箔用作对电极。电解质溶液为体积95%一缩二乙二醇,2%氢氟酸溶液,3%去离子水。在室温55V电压下进行阳极氧化1h,在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列,如图5所示,在金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时在TiO2纳米管阵列的底部会形成TiO2阻挡层6。将该带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底依次在异丙醇和去离子水中漂洗以去除电解质,并在通风橱中干燥,然后将干燥后的样品在空气气氛中530℃退火3h获得晶体结构。图1为纯TiO2纳米管阵列的场发射扫描电镜(FESEM)图(图a)和X射线衍射(XRD)图(图b),TiO2为有序的管状阵列结构,退火后呈现锐钛矿晶型。
将100mg碳纳米管悬浮在30mL浓H2SO4中,室温搅拌30min,然后加入18mL浓HNO3,在70~80℃加热搅拌8h。通过离心收集切断的碳纳米管,用去离子水反复洗涤直至pH值达到中性,然后冷冻干燥得到切断碳纳米管固体粉末。图2为原始碳纳米管(图a)和切断碳纳米管(图b)的透射电子显微镜(TEM)图。将切断碳纳米管分散在去离子水中,超声处理以产生均匀的悬浮液。以制备好的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,在切断碳纳米管悬浮液中,施加10V电压,正向持续5min,然后改变电极方向,反向持续5min,重复10个来回(即重复10次正反向施加电压5min),溶液中的碳纳米管在电场的作用下填充进入TiO2纳米管阵列的管内和间隙,形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构,图3为切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的场发射扫描电镜(FESEM)图,可以看出部分碳纳米管进入了TiO2的管中和间隙中。图4为纯TiO2纳米管阵列、切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的光电流响应图,与纯TiO2相比,碳纳米管与TiO2的结合使得光生电荷分离效率提高。
构造器件:金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时阵列的底部会形成TiO2阻挡层6,该阵列与切断碳纳米管4结合形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;取1mL 0.002g/mL的切断碳纳米管水溶液以500转/秒的转速旋涂在透明导电玻璃1上形成切断碳纳米管膜2,干燥后用作对电极;将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底7置于0.5mm深的密封绝缘凹槽内,盖上对电极,两电极之间相互错开,预留出小部分引出两极导线,用夹子夹紧密封,之后在AM 1.5G太阳能照明下进行器件的电流密度-电压(J-V)特性测试。
实施例二:
金属钛基底(纯钛箔)用砂纸打磨,清洗抛光后保存在去离子水中备用。铂箔用作对电极。电解质溶液为体积95%一缩二乙二醇,2%氢氟酸溶液,3%去离子水。在室温55V电压下进行阳极氧化2h,在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列。将该带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底依次在异丙醇和去离子水中漂洗以去除电解质,并在通风橱中干燥,然后将干燥后的样品在空气气氛中530℃退火3h获得晶体结构。
将100mg碳纳米管悬浮在30mL浓H2SO4中,室温搅拌30min,然后加入18mL浓HNO3,在70~80℃加热搅拌10h。通过离心收集切断的碳纳米管,用去离子水反复洗涤直至pH值达到中性,然后冷冻干燥得到切断碳纳米管固体粉末。将切断碳纳米管分散在去离子水中,超声处理以产生均匀的悬浮液。以制备好的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,施加20V电压,正向持续20min,然后改变电极方向,反向持续5min,重复20个来回,溶液中的碳纳米管在电场的作用下填充进入TiO2纳米管阵列的管内和间隙,形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
构造器件:金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时阵列的底部会形成TiO2阻挡层6,该阵列与切断碳纳米管4结合形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;取1mL 0.002g/mL的切断碳纳米管水溶液以500转/秒的转速旋涂在透明导电玻璃1上形成切断碳纳米管膜2,干燥后用作对电极;将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底7置于0.5mm深的密封绝缘凹槽内,盖上对电极,两电极之间相互错开,预留出小部分引出两极导线,用夹子夹紧密封,将适量(不超过异质结构的高度)碘系电解质从边缘注入,电解质为0.5M碘化锂,0.05M碘,0.5M 4-叔丁基吡啶的乙腈溶液,之后在AM 1.5G太阳能照明下进行器件的电流密度-电压(J-V)特性测试。
实施例三:
金属钛基底(纯钛箔)用砂纸打磨,清洗抛光后保存在去离子水中备用。铂箔用作对电极。电解质溶液为体积95%一缩二乙二醇,2%氢氟酸溶液,3%去离子水。在室温55V电压下进行阳极氧化4h,在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列。将该带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底依次在异丙醇和去离子水中漂洗以去除电解质,并在通风橱中干燥,然后将干燥后的阵列在空气气氛中530℃退火3h获得晶体结构。
将100mg碳纳米管悬浮在30mL浓H2SO4中,室温搅拌30min,然后加入18mL浓HNO3,在70~80℃加热搅拌12h。通过离心收集切断的碳纳米管,用去离子水反复洗涤直至pH值达到中性,冷冻干燥得到切断碳纳米管固体粉末。将切断碳纳米管分散在去离子水中,超声处理以产生均匀的悬浮液。以制备好的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,施加30V电压,正向持续30min,然后改变电极方向,反向持续10min,重复30个来回,溶液中的碳纳米管在电场的作用下填充进入TiO2纳米管阵列的管内和间隙,形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
构造器件:金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时阵列的底部会形成TiO2阻挡层6,该阵列与切断碳纳米管4结合形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;取1mL 0.002g/mL的切断碳纳米管水溶液以500转/秒的转速旋涂在透明导电玻璃1上形成切断碳纳米管膜2,干燥后用作对电极;将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底7置于0.5mm深的密封绝缘凹槽内,盖上对电极,两电极之间相互错开,预留出小部分引出两极导线,用夹子夹紧密封,将适量(不超过异质结构的高度)铁系电解质从边缘注入,电解质为0.2M铁***,0.2M亚铁***的水溶液,之后在AM 1.5G太阳能照明下进行器件的电流密度-电压(J-V)特性测试。图6为光伏器件在无电解质(实施例一)和添加铁系电解质(实施例三)的情况下的电流密度-电压(J-V)特性图。
实施例四:
金属钛基底(纯钛箔)用砂纸打磨,清洗抛光后保存在去离子水中备用。铂箔用作对电极。电解质溶液为体积95%一缩二乙二醇,2%氢氟酸溶液,3%去离子水。在室温55V电压下进行阳极氧化8h,在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列。将氧化后的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底依次在异丙醇和去离子水中漂洗以去除电解质,并在通风橱中干燥,然后将干燥后的阵列在空气气氛中530℃退火3h获得晶体结构。
将100mg碳纳米管悬浮在30mL浓H2SO4中,室温搅拌30min,然后加入18mL浓HNO3,在70~80℃加热搅拌8h。通过离心收集切断的碳纳米管,用去离子水反复洗涤直至pH值达到中性,冷冻干燥得到切断碳纳米管固体粉末。将切断碳纳米管分散在去离子水中,超声处理以产生均匀的悬浮液。以制备好的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,施加10V电压,正向持续10min,然后改变电极方向,反向持续5min,重复10个来回,溶液中的碳纳米管在电场的作用下填充进入TiO2纳米管阵列的管内和间隙,形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
构造器件:金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时阵列的底部会形成TiO2阻挡层6,该阵列与切断碳纳米管4结合形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;取1mL 0.002g/mL的切断碳纳米管水溶液以500转/秒的转速旋涂在透明导电玻璃1上形成切断碳纳米管膜2,干燥后用作对电极;将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底7置于0.5mm深的密封绝缘凹槽内,盖上对电极,两电极之间相互错开,预留出小部分引出两极导线,用夹子夹紧密封,将适量(不超过异质结构的高度)钴系电解质从边缘注入,电解质为0.25M[Co(II)(phen)3](PF6)2,0.05M[Co(II)(phen)3](PF6)3,0.3M 4-叔丁基吡啶,0.1M双三氟甲烷磺酰亚胺锂的乙腈溶液,之后在AM 1.5G太阳能照明下进行器件的电流密度-电压(J-V)特性测试。
实施例五:
金属钛基底(纯钛箔)用砂纸打磨,清洗抛光后保存在去离子水中备用。铂箔用作对电极。电解质溶液为体积95%一缩二乙二醇,2%氢氟酸溶液,3%去离子水。在室温55V电压下进行阳极氧化16h,在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列。将氧化后的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底依次在异丙醇和去离子水中漂洗以去除电解质,并在通风橱中干燥,然后将干燥后的阵列在空气气氛中530℃退火3h获得晶体结构。
将100mg碳纳米管悬浮在30mL浓H2SO4中,室温搅拌30min,然后加入18mL浓HNO3,在70~80℃加热搅拌10h。通过离心收集切断的碳纳米管,用去离子水反复洗涤直至pH值达到中性,冷冻干燥得到切断碳纳米管固体粉末。将切断碳纳米管分散在去离子水中,超声处理以产生均匀的悬浮液。以制备好的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,施加20V电压,正向持续20min,然后改变电极方向,反向持续10min,重复20个来回,溶液中的碳纳米管在电场的作用下填充进入TiO2纳米管阵列的管内和间隙,形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
构造器件:金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时阵列的底部会形成TiO2阻挡层6,该TiO2纳米管阵列5与切断碳纳米管4结合形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;取1mL 0.002g/mL的切断碳纳米管水溶液以500转/秒的转速旋涂在透明导电玻璃1上形成切断碳纳米管膜2,干燥后用作对电极;将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底7置于0.5mm深的密封绝缘凹槽内,盖上上述对电极,两电极之间相互错开,预留出小部分引出两极导线,用夹子夹紧密封,将适量(不超过异质结构的高度)铜系电解质从边缘注入,电解质为0.2M铜络合物氧化还原介质(CuII/(CuI+CuII)=0.4,其中CuII为[Cu(phen)2](CF3SO3)2,CuII为[Cu(phen)2](CF3SO3)),0.5M 4-叔丁基吡啶,0.5M高氯酸锂的甲氧基乙腈溶液,之后在AM 1.5G太阳能照明下进行器件的电流密度-电压(J-V)特性测试。
实施例六:
金属钛基底(纯钛箔)用砂纸打磨,清洗抛光后保存在去离子水中备用。铂箔用作对电极。电解质溶液为体积95%一缩二乙二醇,2%氢氟酸溶液,3%去离子水。在室温55V电压下进行阳极氧化24h,在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列。将氧化后的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底依次在异丙醇和去离子水中漂洗以去除电解质,并在通风橱中干燥,然后将干燥后的阵列在空气气氛中530℃退火3h获得晶体结构。
将100mg碳纳米管悬浮在30mL浓H2SO4中,室温搅拌30min,然后加入18mL浓HNO3,在70~80℃加热搅拌12h。通过离心收集切断的碳纳米管,用去离子水反复洗涤直至pH值达到中性,冷冻干燥得到切断碳纳米管固体粉末。将切断碳纳米管分散在去离子水中,超声处理以产生均匀的悬浮液。以制备好的带有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,施加30V电压,正向持续30min,然后改变电极方向,反向持续5min,重复30个来回,溶液中的碳纳米管在电场的作用下填充进入TiO2纳米管阵列的管内和间隙,形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
构造器件:金属钛基底7通过阳极氧化形成TiO2纳米管阵列5,同时阵列的底部会形成TiO2阻挡层6,该TiO2纳米管阵列5与切断碳纳米管4结合形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构;取1mL 0.002g/mL的切断碳纳米管水溶液以500转/秒的转速旋涂在透明导电玻璃1上形成切断碳纳米管膜2,干燥后用作对电极;将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底7置于0.5mm深的密封绝缘凹槽内,盖上对电极,两电极之间相互错开,预留出小部分引出两极导线,用夹子夹紧密封,将适量(不超过异质结构的高度)硫系电解质从边缘注入,电解质为3.38M硫酸钠,2M硫,0.27M氯化钾的水溶液,之后在AM 1.5G太阳能照明下进行器件的电流密度-电压(J-V)特性测试。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:(1)阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列;(2)将碳纳米管在混酸溶液中加热搅拌,进行切断处理;(3)以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,通过电泳的方法使碳纳米管填充进TiO2纳米管阵列,在金属钛基底上形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列,温度为室温,所用电解液体积配比为:95%一缩二乙二醇、2%氢氟酸溶液和3%去离子水,电压20V~55V,氧化时间0.5~24h。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所用碳纳米管直径为8~15nm,长度0.5~2μm;对碳纳米管进行混酸切割,浓H2SO4和浓HNO3的体积比为7:3~1:1,温度70~80℃,处理时间5~12h。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在切断碳纳米管悬浮液中,以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极,铂箔为负极,在10~30V电压下进行电泳,此时氧化切断后带负电基团的碳纳米管会在外加电场的作用下进入到TiO2纳米管阵列,电泳时不断变换电压的方向和持续时间:正向持续5~30min,反向持续5~30min,重复10~30个来回,形成不同填充密度的碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
5.如权利要求1-4任一所述方法制备获得的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
6.如权利要求5所述的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构制备的光伏器件,其特征在于,将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底置于密封绝缘凹槽内,盖上对电极。
7.如权利要求6所述的光伏器件,其特征在于,取切断碳纳米管水溶液旋涂在透明导电玻璃上形成切断碳纳米管膜,干燥后用作对电极。
8.如权利要求6所述的光伏器件,其特征在于,将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底置于密封绝缘凹槽内,之后,将适量碘系电解质、铁系电解质、钴系电解质、铜系电解质或硫系电解质从边缘注入凹槽内,盖上对电极。
9.如权利要求8所述的光伏器件,其特征在于,碘系电解质为:0.5M碘化锂、0.05M碘和0.5M 4-叔丁基吡啶,溶剂均为乙腈。
10.如权利要求8所述的光伏器件,其特征在于,铁系电解质为:0.2M铁***和0.2M亚铁***,溶剂均为水。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210164665.0A CN114551110B (zh) | 2022-02-23 | 切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210164665.0A CN114551110B (zh) | 2022-02-23 | 切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114551110A true CN114551110A (zh) | 2022-05-27 |
CN114551110B CN114551110B (zh) | 2024-07-26 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050022726A1 (en) * | 2003-01-13 | 2005-02-03 | Stanislaus Wong | Carbon nanotube-nanocrystal heterostructures and methods of making the same |
US20070056628A1 (en) * | 2005-09-12 | 2007-03-15 | Park Young J | Photovoltaic cell comprising carbon nanotubes formed by electrophoretic deposition and method for fabricating the same |
US20120052616A1 (en) * | 2010-08-27 | 2012-03-01 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Method of improving power conversion efficiencies in dye-sensitized solar cells by facile surface treatment |
CN102427096A (zh) * | 2011-11-02 | 2012-04-25 | 西南交通大学 | 一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法 |
CN103469284A (zh) * | 2013-08-09 | 2013-12-25 | 内蒙古工业大学 | 一种碳纳米管/二氧化钛纳米管生物复合涂层材料的制备方法 |
CN109382083A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-02-26 | 内蒙古工业大学 | 碳纳米管掺杂的二氧化钛纳米管光催化材料及其制备方法 |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20050022726A1 (en) * | 2003-01-13 | 2005-02-03 | Stanislaus Wong | Carbon nanotube-nanocrystal heterostructures and methods of making the same |
US20070056628A1 (en) * | 2005-09-12 | 2007-03-15 | Park Young J | Photovoltaic cell comprising carbon nanotubes formed by electrophoretic deposition and method for fabricating the same |
US20120052616A1 (en) * | 2010-08-27 | 2012-03-01 | Iowa State University Research Foundation, Inc. | Method of improving power conversion efficiencies in dye-sensitized solar cells by facile surface treatment |
CN102427096A (zh) * | 2011-11-02 | 2012-04-25 | 西南交通大学 | 一种宽光谱、强吸收的表面光伏型光探测器的制备方法 |
CN103469284A (zh) * | 2013-08-09 | 2013-12-25 | 内蒙古工业大学 | 一种碳纳米管/二氧化钛纳米管生物复合涂层材料的制备方法 |
CN109382083A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-02-26 | 内蒙古工业大学 | 碳纳米管掺杂的二氧化钛纳米管光催化材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
MING-JIE YANG ET AL: "Fabrication of double-walled carbon nanotube film/TiO2 nanotube array heterojunctions with length-dependent photoresponse for broad band photodetectors", INTERNATIONAL JOURNAL OF MINERALS, METALLURGY ANDMATERIALS, vol. 20, no. 3, pages 307 - 313 * |
黄浪欢;王后锦;刘应亮;焦自斌;邵子倍;: "TiO_2与碳纳米管的复合及光催化协同作用", 化学进展, no. 05, 24 May 2010 (2010-05-24) * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Kavan | Electrochemistry and dye-sensitized solar cells | |
Salam et al. | Graphene quantum dots decorated electrospun TiO2 nanofibers as an effective photoanode for dye sensitized solar cells | |
Sun et al. | A nanocomposite of carbon quantum dots and TiO 2 nanotube arrays: enhancing photoelectrochemical and photocatalytic properties | |
CN106498372B (zh) | 光沉积制备Bi/BiVO4复合光电阳极材料的方法 | |
Chen et al. | Designing aligned inorganic nanotubes at the electrode interface: towards highly efficient photovoltaic wires | |
CN108103525B (zh) | 氮掺杂碳点修饰三氧化钨复合光电极及其制备方法、和在光电催化分解水中的应用 | |
Niu et al. | Dye-sensitized solar cells based on flower-shaped α-Fe 2 O 3 as a photoanode and reduced graphene oxide–polyaniline composite as a counter electrode | |
Xu et al. | Surface states engineering carbon dots as multi-band light active sensitizers for ZnO nanowire array photoanode to boost solar water splitting | |
Chen et al. | Rational design and fabrication of skeletal Cu7S4 nanocages for efficient counter electrode in quantum dot-sensitized solar cells | |
Kim et al. | Cost-effective and morphology controllable PVP based highly efficient CuS counter electrodes for high-efficiency quantum dot-sensitized solar cells | |
Adachi et al. | Synthesis of morphology-controlled titania nanocrystals and application for dye-sensitized solar cells | |
Pang et al. | Well-aligned NiPt alloy counter electrodes for high-efficiency dye-sensitized solar cell applications | |
Chen et al. | High catalytic activity of a PbS counter electrode prepared via chemical bath deposition for quantum dots-sensitized solar cells | |
Xia et al. | Bifacial quasi-solid-state dye-sensitized solar cell with metal selenide M0. 85Se (M= Co, Ni) as counter electrode | |
Jin et al. | MnO 2 nanotubes with graphene-assistance as low-cost counter-electrode materials in dye-sensitized solar cells | |
CN114808013A (zh) | 一种三氧化钨/钨酸锰/钨酸钴光电极材料及其制备方法和应用 | |
Cha et al. | Li+ doped anodic TiO2 nanotubes for enhanced efficiency of Dye-sensitized solar cells | |
Dong et al. | Cobalt/molybdenum ternary hybrid with hierarchical architecture used as high efficient counter electrode for dye-sensitized solar cells | |
Oh et al. | The double perovskite structure effect of a novel La2CuNiO6-ZnSe-graphene nanocatalytic composite for dye sensitized solar cells as a freestanding counter electrode | |
Liu et al. | Dual active sites over TiO2 homojunction through tungsten doping and oxygen vacancies for enhanced photoelectrochemical properties | |
JP2006310134A (ja) | チタニア粒子から構成される多孔質薄膜電極及びその改質法 | |
Elsanousi et al. | Highly ordered TiO2 nanotubes and their application to dye sensitized solar cells | |
CN102290250B (zh) | 一种制备太阳能电池光阳极的方法 | |
CN114551110B (zh) | 切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件 | |
CN114551110A (zh) | 切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant |