CN103077831B - ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜材料及其制备方法，属于无机非金属材料技术和光电材料技术领域。以ZnO纳晶聚集体为晶种，在ZnO纳晶聚集体表面生长有ZnO纳米棒所得的聚集体薄膜，其中纳晶聚集体的直径约为50-2000nm，纳米棒的长度为500-2000nm，直径为20-100nm，薄膜的厚度为0.5-30μm。首先在导电基底上制备ZnO纳晶聚集体薄膜，再将此薄膜倒置于锌源和氨源组成的生长液中，水热生长ZnO纳米棒，于100~500℃热处理0.2~5h。本发明的薄膜用于DSC或HSC电极上具有高效的光电转换效率。

Description

ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜材料及其制备方法

技术领域

本发明属于无机非金属材料技术和光电材料技术领域，具体涉及一种作为染料敏化太阳能电池和有机无机杂化电池的光阳极薄膜材料的半导体无机物及其制备方法，特别涉及一种以ZnO纳晶聚集体为晶种制备纳晶/纳米棒聚集体的方法。

背景技术

可再生能源和绿色能源是驱动未来经济发展的动力。作为重要的可持续能源技术之一，太阳能电池将成为重要能源以满足全球对能源的需求。科学家着手设计研制更多新材料制备低成本“零排放”绿色太阳能电池，其中染料敏化太阳能电池（简称DSC）和有机/无机杂化太阳能电池（简称HSC）作为新一代薄膜太阳能电池越来越受到各国的重视。

近几年来，基于ZnO的太阳能电池（包括DSC和HSC）的研究获得了重大的进展，而ZnO的形貌、结构在很大程度上影响着太阳能电池光电转换效率，因而设计制备新型ZnO形貌结构以提高ZnO太阳能电池的光电转换效率是目前的重点之一。1995年，Law等（M.Law,L.E.Greene,J.C.Johnson,R.Saykally,P.D.Yang,NatureMater.2005,4,455）利用化学水浴法制备单层ZnO一维阵列材料并应用于DSC中，发现该一维结构材料具有良好的电子传输性能，但是由于较低的比表面积限制了DSC光电转换效率的提高。Sung等（SungY.-H.,LiaoW.-P.,ChenD.-W.,WuC.-T.,ChangG.-J.,WuJ.-J.,Adv.Funct.Mater.,2012,22,3808-3814）利用化学水浴沉积法制备ZnO纳米棒，为了改善有机供体（P3HT）在纳米棒薄膜中的渗透性，通过表面改性获得纳米片结构，从而增加了P3HT在ZnO纳米棒薄膜中的渗透连续性。此外，为了提高一维材料的染料吸附能力，2011年，Gao等(ChengkunXu,JiaminWu,UmangV.Desai,DiGao,J.Am.Chem.Soc.2011,133,8122-8125)以ZnO纳晶为晶种，利用化学水浴沉积法（CBD）制备多层ZnO一维阵列，并证实该多层一维阵列具备较高内比表面积，有助于提高染料敏化ZnO薄膜的光吸收效率。但通过表面改性使得有机供体在一维薄膜材料更好的渗透性，或多步法制备多层ZnO一维阵列薄膜材料的操作过程较繁琐且可控性差。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术制备的ZnO纳米棒内比表面积低而导致染料吸附能力不足的问题，提供一种强染料吸附能力的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜及其制备方法。本发明方法简单易行、可控性和重复性好。

本发明的创新点在于采用纳晶聚集体为晶种，采用化学水浴沉积法制备具备高染料吸附能力的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜。

本发明所提供的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜，其特征在于，以ZnO纳晶聚集体为晶种，在ZnO纳晶聚集体表面生长有ZnO纳米棒所得的聚集体薄膜，其中纳晶聚集体的直径约为50-2000nm，纳米棒的长度为500-2000nm，直径为20-100nm，薄膜的厚度为0.5-30μm。

本发明所提供的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的制备方法，具体包括如下步骤：

1）纳晶聚集体晶种溶液的配置：

利用超声溶剂热法制备粒径为50-2000nm的ZnO纳晶聚集体，然后经充分研磨后加入溶剂中，搅拌，超声分散后，配置成0.001~1g/ml的ZnO纳晶聚集体浊液；

2）纳晶聚集体晶种层：

将步骤1）所得ZnO纳晶聚集体浊液在的导电基底上制备ZnO薄膜，而后将ZnO薄膜在马福炉中于200~600℃煅烧5~300min，冷却至室温得到涂有纳晶聚集体晶种层的导电基底；

3）ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的水热制备过程：

将步骤2）制得涂有纳晶聚集体晶种层的导电基底倒置于生长液中，于70℃~150℃水热反应0.5h~5h，待反应完成后，冷却至室温，经洗涤后，晾干；水热反应的生长液：将等摩尔数的锌源和氨源溶解于去离子水中配制成浓度均为0.005~0.2M的混合溶液。

4）ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的后处理：

将步骤3）制备好的薄膜于100~500℃热处理0.2~5h，并自然冷却至室温得到厚度为0.5-30μm的ZnO纳米棒聚集体薄膜。

其中，步骤1）所述的溶剂为无水乙醇、异丙醇、无水乙醇、乙二醇甲醚或去离子水。

步骤2）所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或柔性导电基底，所述的导电基底优选经过常规的预处理。

步骤2）膜制备方法为旋涂法，手术刀刮涂法、滴覆法或丝网印刷膜法。

步骤3）所述的锌源为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌；所述的氨源为环六亚甲基四胺、氨水或氯化铵。

与现有ZnO一维材料相比以及一维材料制备技术相比较，本发明具有以下优点：

1）本发明所制备的纳晶/纳米棒聚集体薄膜综合了纳晶聚集体的强吸附容量和纳米棒的电子直线传输（即抑制的电子复合）。实验表明，由该发明方法制备的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜用于DSC或HSC电极上具有高效的光电转换效率。

2）本发明所提供的方法工艺简单，可控性和重复性强，适用于工业化生产。

附图说明

图1、实施例1制备的ZnO纳晶/纳米棒聚集体聚集体薄膜的扫描电镜照片。其中生长液为浓度40mM的六水硝酸锌和环六亚甲基四胺（HMT）的水溶液。

图2、实施例2制备的ZnO纳晶/纳米棒聚集体聚集体薄膜的断面扫描电镜照片。其中生长液为浓度10mM的六水硝酸锌和环六亚甲基四胺（HMT）的水溶液；

图3、实施1制备的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜及对比例1所得的ZnO纳晶聚集体薄膜的I-V曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实例来对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1）纳晶聚集体晶种溶液的配置：

将粒径为500nm左右的ZnO纳晶聚集体充分研磨后加入无水乙醇中，搅拌，超声分散后，配置成0.5g/ml的ZnO聚集体浊液；

2）纳晶聚集体晶种层的制备：

将所得浊液采用手术刀刮涂法在预处理过的ITO导电玻璃上制备ZnO薄膜，而后将ZnO薄膜在马弗炉中于350℃煅烧60min，冷却至室温得到聚集体晶种层；

3）ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的水热制备过程：

将步骤2制得涂有纳晶聚集体晶种层的ITO导电玻璃倒置于生长液中，于90℃水热反应3h，待反应完成后，冷却至室温，经洗涤后，晾干。生长液：浓度均为40mM的六水硝酸锌和环六亚甲基四胺（HMT）的混合水溶液；

4）ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的后处理：

将步骤3）制好的ZnO薄膜于200℃热处理1h，冷却至室温。由测厚仪测得所制备的纳晶/纳米棒聚集体薄膜膜厚为5-15μm。

从图1中可以看出，所制备的纳晶/纳米棒聚集体薄膜是在纳晶聚集体晶种表面生长起来的，纳晶聚集体的直径约为500nm，纳米棒的长度为400-1000nm，直径为40nm左右。

实施例2

1）纳晶聚集体晶种溶液的配置：

将粒径为500nm左右的ZnO纳晶聚集体充分研磨后加入无水乙醇中，搅拌，超声分散后，配置成0.5g/ml的ZnO聚集体浊液；

2）纳晶聚集体晶种层的制备：

将所得浊液采用手术刀刮涂法在预处理过的ITO导电玻璃上制备ZnO薄膜，而后将ZnO薄膜在马弗炉中于350℃煅烧60min，冷却至室温得到聚集体晶种层；

3）ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的水热制备过程：

将步骤2制得涂有纳晶聚集体晶种层的ITO导电玻璃倒置于生长液中，于90℃水热反应3h，待反应完成后，冷却至室温，经洗涤后，晾干。生长液：浓度均为10mM的六水硝酸锌和环六亚甲基四胺（HMT）的混合水溶液；

4）ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的后处理：

将步骤3）制好的ZnO薄膜于200℃热处理1h，冷却至室温。由测厚仪测得薄膜的厚度为5-20μm的ZnO纳米棒聚集体薄膜。

从图2中可以看出，所制备的纳晶/纳米棒聚集体薄膜是在纳晶聚集体晶种表面生长起来的，纳晶聚集体的直径约为500nm，纳米棒的长度为100-500nm，直径为20-50nm左右。

对比例1

1）ZnO纳晶聚集体的制备：

按照实施例1步骤1）中的方法，获得ZnO纳晶聚集体浆料。所用的多分散ZnO纳晶聚集体尺寸为500-800nm；

2）ZnO纳晶聚集体薄膜的制备：

按照实施例1步骤2）的方法，利用手术刀刮涂法获得ZnO纳晶聚集体薄膜，而后经350℃热处理2h得到对比薄膜。由测厚仪测得薄膜的厚度为5-15μm。

如图3，将ZnO纳晶聚集体薄膜和ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜分别作为光阳极用于DSCs中，对比基于这两种薄膜的DSCs的I-V曲线，可看出基于ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的DSC的电流值远远高于基于ZnO纳晶聚集体薄膜的DSC，因此其DSC光电转换效率比基于ZnO纳晶聚集体薄膜的DSC高39%。

Claims (6)

1.ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的制备方法，其特征在于，ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜以ZnO纳晶聚集体为晶种，在ZnO纳晶聚集体表面生长有ZnO纳米棒所得的聚集体薄膜，其中纳晶聚集体的直径为50-2000nm，纳米棒的长度为500-2000nm，直径为20-100nm，薄膜的厚度为0.5-30μm；包括以下步骤：

1)纳晶聚集体晶种溶液的配置：

利用超声溶剂热法制备粒径为50-2000nm的ZnO纳晶聚集体，然后经充分研磨后加入溶剂中，搅拌，超声分散后，配置成0.001～1g/ml的ZnO纳晶聚集体浊液；

2)纳晶聚集体晶种层：

将步骤1)所得ZnO纳晶聚集体浊液在导电基底上制备ZnO薄膜，而后将ZnO薄膜在马弗炉中于350℃煅烧60min，冷却至室温得到涂有纳晶聚集体晶种层的导电基底；

3)ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的水热制备过程：

将步骤2)制得涂有纳晶聚集体晶种层的导电基底倒置于生长液中，于70℃～150℃水热反应0.5h～5h，待反应完成后，冷却至室温，经洗涤后，晾干；水热反应的生长液：将等摩尔数的锌源和氨源溶解于去离子水中配制成浓度为0.005～0.2M的混合溶液；

4)ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜的后处理：

将步骤3)制备好的薄膜于200℃热处理1h，并自然冷却至室温得到厚度为0.5-30μm的ZnO纳晶/纳米棒聚集体薄膜。

2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)所述的溶剂为无水乙醇、异丙醇、乙二醇甲醚或去离子水。

3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或柔性导电基底。

4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)膜制备方法为旋涂法，手术刀刮涂法、滴覆法或丝网印刷膜法。

5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)所述的锌源为硝酸锌、硫酸锌或氯化锌；所述的氨源为环六亚甲基四胺、氨水或氯化铵。

6.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)所述的导电基底进行清洗处理。