CN103137333A - Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构、其制备方法及用途 - Google Patents
Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构、其制备方法及用途 Download PDFInfo
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Abstract
本发明Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构、其制备方法及用途，涉及Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构，其结构为由Zn2SnO4纳米粒子和SnO2纳米粒子组装而成的球状结构，所述球状结构为中空结构，其直径从100nm～1.5μm，壁厚为50nm～400nm。所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构的制备方法：将ZnSn(OH)6球在250～800℃下焙烧1～10h，冷却至室温。所述Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构材料可用于染料敏化太阳能电池电极材料，并显示出非常高的光电转化效率。
Description
技术领域
本发明涉及Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构，特别涉及Zn2SnO4/SnO2球、其制备方法、用途及染料敏化太阳能电池。
背景技术
当今社会，随着不可再生能源越来越少，寻找新能源成为全世界关注的重要问题。染料敏化太阳能电池(DSSCs)由于可以把太阳光能转换为电能，而且太阳光具有洁净、取之不尽用之不竭的特点，从而引起了人们的广泛关注。电极材料的性能对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有很大的影响，因此对电极材料的研究成为了染料敏化太阳能电池的重要的研究方向。目前，可以作为电极材料使用的有各种金属氧化物如TiO2、ZnO、SnO2、SrTiO3、Zn2SnO4等。相对于单一的金属氧化物，复合金属氧化物因其多元的性能，多能带、多结点的特点可能在染料敏化太阳能电池电极材料有更好的应用。至今为止一些复合氧化物如ZnO/SnO2、Zn2SnO4/SnO2、TiO2/Zn2SnO4和SnO2/TiO2已被应用于染料敏化太阳能电池中。然而，这些复合材料通常都是通过多步合成然后再混合的方法来获得。因此，探索简单的合成多功能复合纳米材料的方法成为化学家和材料学家们的一个重要的研究课题。本发明首次提出了一种简单方便的方法，在一定的温度下空气中热处理ZnSn(OH)6球(专利申请号：201310000067.0)成功得到了Zn2SnO4/SnO2复合材料的球状结构，并将这种纳米结构应用于染料敏化太阳能电池的电极材料，显示出非常高的光电转化效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有球状结构的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构材料，并提供了有效的制备方法。
本发明的另一个目的是将上述Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构材料，用于染料敏化太阳能电池的电极材料。
本发明Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构为由Zn2SnO4纳米粒子和SnO2纳米粒子组装而成的球状结构。
所述球状结构为中空结构，其直径从100nm～1.5μm，壁厚为50nm～400nm。
所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构的制备方法：将ZnSn(OH)6球在250～800℃下焙烧1～10h，冷却至室温。
所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构的优选制备方法：将ZnSn(OH)6球在400～700℃下焙烧2～8h，冷却至室温。
所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构材料可用于染料敏化太阳能电池的电极材料。
本发明将水合锡酸锌ZnSn(OH)6在250～800℃空气中保持1～10个小时，所得产物即为所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构材料。图1给出了将水合锡酸锌ZnSn(OH)6在600℃空气中保持2个小时得到的产物的XRD谱图，其中标注“■”的衍射峰可指标化为立方相的Zn2SnO4(JCPDS card24-1470)，余下的标注“▲”的衍射峰则可以指标化为四方相的SnO2(JCPDS card41-1445)，表明所得的样品为Zn2SnO4/SnO2复合物。图2为Zn2SnO4/SnO2复合物的SEM照片，从低倍的大范围的SEM照片上可以看到，所得样品为粒径100nm～1.5μm的单分散的微球结构。图2b的高倍SEM照片可以看出Zn2SnO4/SnO2复合物微球为中空结构，由纳米粒子构成。图3为Zn2SnO4/SnO2复合物的TEM照片，同样可以看出中空球是由松散的纳米粒子构成的。这种单分散的Zn2SnO4/SnO2复合物微球可以在很宽的实验条件下获得，在一定范围内改变反应温度和反应时间等均可以得到类似的Zn2SnO4/SnO2复合物微球。
Zn2SnO4/SnO2中空球可以作为染料敏化太阳能电池(DSSC)电极材料。将其旋涂在导电玻璃上形成薄膜后作为染料敏化太阳能电池的电极，在太阳能转换仪器上进行测试以考察其光电转化效率。作为比较，我们也测试了商业的Zn2SnO4和SnO2混合物的性能。图4为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构和商业的Zn2SnO4和SnO2混合物的电流密度对电压(J-V)曲线，可以看出，本发明Zn2SnO4/SnO2中空球的光电转换效率可达到4.52％，比商业的Zn2SnO4及SnO2混合物(1.49％)也高了好多，也比报道过的单一的Zn2SnO4光电转化效率(3.8％)及SnO2光电转化效率(1.2％)高。显然，Zn2SnO4和SnO2纳米粒子的原位杂化形成的Zn2SnO4/SnO2复合球状结构有利于产生更多的光生媒介，有利于电子在染料分子和半导体之间的传输，从而具有更高的光电转换效率。
总之，本发明在空气中热处理ZnSn(OH)6球得到了Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。这种Zn2SnO4/SnO2复合球状结构作为染料敏化太阳能电池的电极材料，显示非常高的光电转化效率，这使得Zn2SnO4/SnO2复合球状结构可以发展为染料敏化太阳能电池的电极材料用于染料敏化太阳能电池领域。
附图说明
图1ZnSn(OH)6在600℃空气中保持2个小时得到的产物的XRD谱图。
图2ZnSn(OH)6在600℃空气中保持2个小时得到的产物的SEM照片。
图3ZnSn(OH)6在600℃空气中保持2个小时得到的产物的TEM照片。
图4(a)Zn2SnO4/SnO2复合球状结构和(b)商业的Zn2SnO4和SnO2混合物的电流密度对电压(J-V)曲线
具体实施方式
实施例1
将ZnSn(OH)6球在马弗炉中600℃反应2h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例2
将ZnSn(OH)6球在马弗炉中600℃反应10h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例3
将ZnSn(OH)6球在马弗炉中250℃反应2h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例4
将ZnSn(OH)6球在马弗炉中800℃反应2h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例5
将ZnSn(OH)6实心球在马弗炉中400℃反应2h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例6
将ZnSn(OH)6实心球在马弗炉中250℃反应10h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例7
将ZnSn(OH)6实心球在马弗炉中800℃反应10h，自然冷却至室温。所得产物为Zn2SnO4/SnO2复合球状结构。
实施例8
将Zn2SnO4/SnO2复合球状结构在一定量的乙醇中形成均匀的悬浮液，然后旋涂在导电玻璃上形成多孔的薄膜。然后把涂有样品的导电玻璃在500℃空气中煅烧形成致密的薄膜，冷却到室温，然后把导电玻璃浸入到染料N719的乙醇溶液中6h。对电极是镀铂的镜子，然后电解质、薄膜、对电极构成一个开路电池。电解液是1.0M BMII，50mM LiI，30mM I2和0.5M叔-丁基吡啶在乙腈和戊腈(v/v，85∶15)溶剂中。滴1ml在电解液薄膜上，然后在太阳能转换仪器上进行测试，有效的照射面积是0.132cm2。Zn2SnO4/SnO2中空球的光电转换效率可达到4.52％。
实施例9
将商业的Zn2SnO4和SnO2混合物在一定量的乙醇中形成均匀的悬浮液，然后旋涂在导电玻璃上形成多孔的薄膜。然后把涂有样品的导电玻璃在500℃空气中煅烧形成致密的薄膜，冷却到室温，然后把导电玻璃浸入到染料N719的乙醇溶液中6h。对电极是镀铂的镜子，然后电解质、薄膜、对电极构成一个开路电池。电解液是1.0M BMII，50mM LiI，30mM I2和0.5M叔-丁基吡啶在乙腈和戊腈(v/v，85∶15)溶剂中。滴1ml在电解液薄膜上，然后在太阳能转换仪器上进行测试，有效的照射面积是0.132cm2。商业的Zn2SnO4和SnO2混合物的光电转换效率可达到1.49％，远低于Zn2SnO4/SnO2中空球的光电转换效率(4.52％)。
Claims (5)
1.一种Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构，其特征在于：所述Zn2SnO4/SnO2复合结构为由Zn2SnO4纳米粒子和SnO2纳米粒子组装而成的球状结构。
2.如权利要求1所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构，其特征在于：所述球状结构为中空结构，其直径从100nm～1.5μm，壁厚为50nm～400nm。
3.一种权利要求1所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构的制备方法：其特征在于将ZnSn(OH)6球在250～800℃下焙烧1～10h，冷却至室温。
4.一种权利要求1所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构的制备方法：其特征在于将ZnSn(OH)6球在400～700℃下焙烧2～8h，冷却至室温。
5.一种权利要求1所述的Zn2SnO4/SnO2复合纳米结构在染料敏化太阳能电池上的应用。
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