CN102034612A - 一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法 - Google Patents

一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法，属于纳米材料技术领域。具体工艺步骤为：a.将等摩尔数的Zn(NO3)2和(CH2)6N4溶解于去离子水中配制成浓度为0.05～0.2M的反应溶液；b.将镀有ZnO晶种层的导电基底作为生长基底，直接放入上述溶液中，在80～100℃进行反应12～24小时，从而获得ZnO纳米棒阵列电极；c.用旋转涂覆法将氧化铝溶胶涂覆于ZnO纳米棒阵列电极表面，经过热处理后得到Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。本发明有效抑制了ZnO电极表面的腐蚀及Zn2+/dye配合物的产生；采用旋涂溶胶法工艺简单，可获得表面均一、面积大的Al2O3薄膜涂层；通过对溶胶的浓度、涂覆层数、烧结次数的调整可合理控制Al2O3薄膜涂层的厚度。利用该复合电极组装的染料敏化太阳能电池的性能得到了极大的稳定。

Description

一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，特别是提供了一种通过引入氧化铝保护层来提高氧化锌电极在进行染料敏化过程中的抗酸腐蚀性的方法，涉及一种高稳定性的染料敏化太阳能电池阳极的制备方法。
背景技术
近年来，ZnO纳米材料以其优异的性能，在纳米结构器件领域备受研究者关注。在紫外发光器件、场发射器件、压电转换器、传感器等方面有广阔的应用前景。(M.H.Huang，S.Mao，H.Feick，H.Q.Yan，Y.Y.Wu，H.Kind，E.Weber，R.Russo，P.D.Yang，Science 292(2001)1897；Y.H.Huang，X.D.Bai，Y.Zhang，J.Phys.Condens.Matter 18(2006)179；X.D.Wang，J.H.Song，J.Liu，Z.L.Wang，Science 316(2007)102；M.Law，L.E.Greene，J.C.Johnson，R.Saykally，P.D.Yang，Nat.Mater.4(2005)455.)同时，人们也发现ZnO纳米材料在染料敏化太阳能电池这一领域也有着潜在优势。染料敏化太阳能电池是由染料敏化纳米宽紧带半导体薄膜为阳极，镀有催化剂的导电基底为对电极以及电解质溶液构成的三明治式结构。ZnO纳米材料的制备方法多样，且制备工艺条件简单，有望进一步降低电池成本。通过可控合成反应可获得大面积、形貌多样的ZnO纳米结构，有利于对光阳极的结构进行优化。(Z.Qin，Q.L.Liao，Y.H.Huang，L.D.Tang，X.H.Zhang，Y.Zhang，Mater.Chem.Phys.123(2010)811；N.Ye，J.J.Qi，Z.Qi，X.M.Zhang，Y.Yang，J.Liu，Y.Zhang，J.Power Sources 195(2010)5806；M.Law，L.E.Greene，J.C.Johnson，R.Saykally，P.D.Yang，Nat.Mater.4(2005)455.)特别是准一维ZnO纳米结构可以为电子传输提供直线传播路径，从而减少电子在传播过程中的损失，最终实现电池转化效率的提高。
目前，基于ZnO纳米棒阵列的染料敏化太阳能电池转化效率的提高受到了一定的限制。其中较为主要的原因在于商用化的带有-COOH的联吡啶络合物染料的应用。这些染料在溶液中显现酸性，不仅会对ZnO纳米材料的表面造成腐蚀，而且会产生一种Zn2+/dye配合物。这种配合物的产生会严重影响染料敏化太阳能电池转化效率。目前也有一些研究者试图通过引入一些其它化合物的手段来阻止酸性染料对基于ZnO纳米材料电池性能的降低，但是这些手段并未取得显著的改善效果。(M.Law，L.E.Greene，A.Radenovic，T.Kuykendall，J.Liphardt，P.D.Yang，J.Phys.Chem.B 110(2006)22652；S.H.Kang，J.Y.Kim，Y.Kim，H.S.Kim，Y.E.Sung，J.Phys.Chem.C 111(2007)9614；Y.J.Shin，K.S.Kim，N.G.Park，K.S.Ryu，S.H.Chang，Bull.Korean Chem.Soc.26(2005)1929；X.J.Wang，M.K.Lei，T.Yang，L.J.Yuan，J.Mater.Res.18(2003)2401.)。
发明内容
本发明目的在于提供一种通过引入氧化铝保护层来提高氧化锌电极在进行染料敏化过程中的耐酸腐蚀性的方法，制备出一种高稳定性的Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合染料敏化太阳能电池阳极。
一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法。采用水热法在导电基底上生长了ZnO纳米棒阵列；利用旋转涂覆法在ZnO纳米棒阵列表面复合一层Al2O3薄膜。选择适当的工艺参数来获得在敏化过程中耐酸性强、电极性能优良的Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。具体工艺步骤如下：
1.将等摩尔数的Zn(NO3)2和(CH2)6N4溶解于去离子水中配制成浓度为0.05～0.2M的反应溶液。
2.将镀有100～200nm厚的ZnO晶种层的导电基片作为生长基底，直接放入上述溶液中，在80～100℃下密封反应12～24小时。
3.反应结束后，将基片取出。用去离子水反复冲洗，烘干后可以看到基片上形成了均匀白色薄膜，此薄膜即为所制得的ZnO纳米棒阵列。
4.将异丙醇铝与蒸馏水配置成的摩尔数比为1∶100～1∶200的氧化铝溶胶。
5.取0.1毫升的上述氧化铝溶胶滴于已制得的ZnO纳米棒阵列表面。将旋转速度设置为低速1000转/分、高速3000转/分。分别在低速档旋转10～15秒，在高速档旋转15～20秒。重复本步涂覆步骤，直到获得所需参数要求的均匀涂层。
6.将上述旋涂好的电极放入箱式炉中，在400～800℃区间热处理30分钟至1小时，并自然冷却至室温。此电极即为所制得的Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。
与现有技术相比，本发明所提供的基于ZnO染料敏化太阳能电池电极的制备方法有以下优点：
1.通过引入Al2O3保护层提高了ZnO纳米棒阵列电极在酸性染料中浸泡时的抗酸腐蚀性，有效抑制了ZnO电极表面的腐蚀及Zn2+/dye配合物的产生。
2.采用旋涂溶胶法工艺简单，可获得表面均一、面积大的Al2O3薄膜涂层。
3.通过对溶胶的浓度、涂覆层数、烧结次数的调整可合理控制Al2O3薄膜涂层的厚度。
4.利用该复合电极组装的染料敏化太阳能电池的性能得到了极大的稳定。
附图说明
图1为本发明采用水热反应法制备的大面积ZnO纳米棒阵列的场发射扫描电镜照片。所得阵列尺寸均一、面积大、取向性高。
图2为本发明采用旋转涂覆法制备的大面积Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极表面的场发射扫描电镜照片。
图3为本发明制备的大面积Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的能谱分析。
图4为本发明利用制备的大面积Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极组装的染料敏化太阳能电池的在不同敏化时间下的性能曲线。该曲线反应了本发明制备的电极在敏化过程中具有着优异的耐酸腐蚀性能。
具体实施方式
下面结合实例对本发明的技术方案进行进一步说明：
实例1
1.用离子水将等摩尔数的化学纯硝酸锌与六次甲基四胺溶解配制成摩尔浓度为0.05mol/L的反应溶液。
2.将5片镀有100nm厚的ZnO薄膜作为晶种层的FTO导电玻璃切割成2cm×1cm大小作为生长基底，直接放入上述溶液中，在95℃下密封反应24小时。
3.反应结束后，将基片取出。先用去离子水反复冲洗，烘干后可以看到基片上形成了均匀的白色半透明薄膜，此薄膜即为所制得的ZnO纳米棒阵列。
4.将异丙醇铝与蒸馏水配置成的摩尔数比为1∶200的氧化铝溶胶。
5.取0.1毫升的上述氧化铝溶胶分别滴于5片ZnO纳米棒阵列电极表面。随后在1000转/分的低速档旋转10秒，在3000转/分高速档旋转15秒。并将上述旋涂过程再重复2次，可在ZnO阵列上获得表面均一的胶体层。
6.将上述旋涂好的电极放入箱式炉中，在500℃下退火处理30分钟，并自然冷却至室温。此电极即为所制得的Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。
实例2
1.用离子水将等摩尔数的硝酸锌与六次甲基四胺溶解配制成摩尔浓度为0.15mol/L的反应溶液。
2.将5片镀有100nm厚的ZnO薄膜作为晶种层的FTO导电玻璃切割成2cm×2cm大小作为生长基底，直接放入上述溶液中，在80℃下密封反应12小时。
3.反应后取出基片。可在基片上获得均匀的白色半透明薄膜，此薄膜即为所制得的ZnO纳米棒阵列。
4.将异丙醇铝与蒸馏水配置成的摩尔数比为1∶200的氧化铝溶胶。
5.取0.1毫升的上述氧化铝溶胶分别滴于5片ZnO纳米棒阵列电极表面。随后在1000转/分的低速档旋转10秒，在3000转/分高速档旋转15秒。并将上述旋涂过程再重复2次，可在ZnO阵列上获得表面均一的胶体层。
6.将上述旋涂好的电极放入箱式炉中，在500℃下退火处理30分钟，并自然冷却至室温。此电极即为所制得的Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。
实例3
1.用离子水将等摩尔数的硝酸锌与六次甲基四胺溶解配制成摩尔浓度为0.05mol/L的反应溶液。
2.将5片镀有100nm厚的ZnO薄膜作为晶种层的铝片璃切割成2cm×1cm大小作为生长基底，直接放入上述溶液中，在95℃下密封反应24小时。
3.反应后取出基片。可在基片上获得均匀的乳白色薄膜，此薄膜即为所制得的ZnO纳米棒阵列。
4.将异丙醇铝与蒸馏水配置成的摩尔数比为1∶200的氧化铝溶胶。
5.取0.1毫升的上述氧化铝溶胶分别滴于5片ZnO纳米棒阵列电极表面。随后在1000转/分的低速档旋转15秒，在3000转/分高速档旋转15秒。并将上述旋涂过程再重复2次，可在ZnO阵列上获得表面均一的胶体层。
6.将上述旋涂好的电极放入箱式炉中，在500℃下退火处理45分钟，并自然冷却至室温。此电极即为所制得的Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。

Claims (5)

1.一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法，其特征是具体工艺步骤如下：
a.将等摩尔数的Zn(NO3)2和(CH2)6N4溶解于去离子水中配制成浓度为0.05～0.2M的反应溶液；
b.将镀有ZnO晶种层的导电基底作为生长基底，直接放入上述溶液中，在80～100℃进行反应12～24小时，从而获得ZnO纳米棒阵列电极；
c.用旋转涂覆法将氧化铝溶胶涂覆于ZnO纳米棒阵列电极表面，经过热处理后得到Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极。
2.如权利要求1所述的一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法，其特征是生长基底为镀有100～200nm厚的ZnO薄膜的导电玻璃、金属或化合物导电薄膜的导电基底。
3.如权利要求1所述的一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法，其特征是步骤(c)所述氧化铝溶胶中铝元素与水的摩尔数比为1∶100～1∶200。
4.如权利要求1所述的一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法，其特征是步骤(c)所述旋转涂覆法的旋涂速度设置为低速1000转/分、高速3000转/分；分别在低速档旋转10～15秒，在高速档旋转15～20秒反复涂覆；重复本步涂覆步骤，直到获得所需参数要求的均匀涂层。
5.如权利要求1所述的一种Al2O3-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法，其特征是步骤(c)所述涂覆后热处理温度在400～800℃区间，热处理时间为0.5～1小时，并自然冷却至室温。
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