CN103236352A - ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法,它包括水热法制备Sn掺杂ZnO粉体、sol-gel法制备ZnO溶胶和手术刀法制备ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜三个主要步骤。本发明中Sn掺杂ZnO粉体存在介孔结构,具有更大的比表面积,ZnO溶胶粘稠度可控,最终得到的ZnO厚膜附着力强、粒度均匀、膜厚可控、性能优良。将该方法制备的ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜应用于染料敏化太阳能电池中,得到了更优的光电转换性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法,特别是一种将水热法、sol-gel法和手术刀法等技术结合,在导电玻璃基底上制备ZnO厚膜的方法。
背景技术
ZnO是Ⅱ-Ⅵ族具有纤锌矿结构的直接宽带隙化合物半导体材料,室温下的禁带宽为3.36eV,晶格常数a=0.32496nm,c=0.52065nm。由于它具有优良的电学、光学和压电性质,因此在很多领域都有很广泛的应用。与介孔TiO2相比,ZnO具有一些独特的性质,如ZnO具有大的激子束缚能(60meV)和小的玻尔半径(1.8nm),表现出了极强的激子复合特性,ZnO中的电子迁移率大于TiO2中的电子迁移率等。ZnO纳米材料由于其独特的光电特性,作为染料敏化太阳能电池(DSSC)结构中的电极材料,能提高材料的电子传输速率,抑止暗电流产生,有利于提高DSSCs的转换效率。
在大量的研究中,光电极膜厚都在微米级别以上。因为当孔隙率和孔径一定时,增大膜厚(d)意味着增大光电极的总内表面积,从而可以吸附更多的染料分子,吸收更多的光子。因此增大d可以增大产生的光生电子数目,从而增大电流。但是太厚的染料会增加载流子的复合中心,从而又减小电流。所以,适当的膜厚对于DSSCs的转换效率是至关重要的。Sol-gel法旋涂制膜在制备厚度在微米级别的膜方面存在局限性,那么制备ZnO粉体,然后利用丝网印刷或手术刀法制膜就显得必要。
另一方面,人们发现适当的掺杂能改变ZnO材料的禁带宽度、有效改善其性能,如掺Mn、Mg等可以提高ZnO薄膜的紫外发射性能,掺Al、Ga可以提高其导电性等等。因此,研究掺杂型的ZnO具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法,是一种利用水热法和sol-gel法,结合手术刀法在导电玻璃基底上制备ZnO厚膜的方法。
为达到上述目的,本发明解决上述技术问题采用如下方案:
一种ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法,该方法包括以下步骤:
A.水热法制备Sn掺杂ZnO粉体:以三嵌段共聚物P123为模板剂、二水乙酸锌为前驱体、五水四氯化锡为掺杂剂、尿素为缓冲剂、水为溶剂,配制成0.05mol/L 的Zn前驱溶液,Zn与Sn的摩尔比为9:1,然后放入高压釜中,90℃保温24h,得到的沉淀烘干后经450℃退火4h,最终成为Sn掺杂ZnO粉体;
B. Sol-gel法制备ZnO溶胶:以三嵌段共聚物P123为模板剂、二水乙酸锌为前驱体、无水乙醇为溶剂、二乙醇胺为稳定剂、乙酰丙酮为螯合剂,预先合成1mol/L的Zn的前驱溶液,其中无水乙醇∶二乙醇胺∶乙酰丙酮的体积比为13:1:2,之后再加入10wt%乙基纤维素作为成膜剂;在70℃下油浴3h,即得到ZnO溶胶;
C. 手术刀法制备ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜:
a. 按照1:10的质量比称取步骤A中的粉体及步骤B中的溶胶,再加入0.05mL曲拉通,在研钵中研磨30分钟,使浆料均匀无大颗粒粉体存在;
b. 将清洗干净的导电玻璃用胶带固定在平整工作台上,取一小勺步骤a中制备好的浆料轻轻涂抹在导电玻璃表面,用洁净平直的刀片反复刮涂浆料,直至导电玻璃表面形成平整均匀的涂膜层厚膜。
D.干燥及退火处理:将上述涂膜层厚膜置放于烤胶台上进行干燥,依次经过90℃干燥30min、120℃干燥2.5h~3h、160℃干燥2h,最后将厚膜置放于450 ℃的马弗炉中退火4h,自然冷却至室温,最终得到ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜。
同现有技术相比,本技术具有以下优点:
1. 本发明将水热法、sol-gel法和手术刀法等制膜技术结合于一体;
2. 本发明中用水热法制备的Sn掺杂ZnO粉体具有介孔结构,大大增加了材料比表面积;
3. 本发明在用手术刀法制备厚膜时,完全使用ZnO溶胶代替传统的水或乙醇等溶剂,再经过特定的干燥和退火处理后,得到的ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜,附着力强、无裂纹、粒度均匀、膜厚可控、性能优良;
4. 采用本方法制备的ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜符合光电太阳能电池的光敏化电极的要求,可用于组装染料敏化太阳能电池,降低加工成本,提高电池效率。
附图说明
图1是使用本发明方法步骤A中制备的Sn掺杂ZnO粉体的N2吸附脱附曲线。
图2是使用本发明方法步骤A中制备的Sn掺杂ZnO粉体与纯的ZnO粉体的孔径分布对比图。
图3是使用本发明方法制备的ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜作为电极组装的染料敏化太阳能电池得到的J-V特性曲线与纯ZnO厚膜、未经溶胶复合的Sn掺杂ZnO厚膜分别作为电极组装的染料敏化太阳能电池得到的J-V特性曲线的对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步说明。
实施例
一种ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法,该方法包括以下步骤:
A. 水热法制备Sn掺杂ZnO粉体:以三嵌段共聚物P123为模板剂、二水乙酸锌为前驱体、五水四氯化锡为掺杂剂、尿素为缓冲剂、水为溶剂,水热法制备了Sn掺杂ZnO粉体,其中Zn与Sn的摩尔比为9:1。首先,将0.548g三嵌段共聚物P123、0.988g二水乙酸锌、1.5g尿素溶入100mL去离子水中,搅拌均匀后加入0.175g五水四氯化锡,继续搅拌2h后转入高压釜内,90℃保温24h,最后经过滤、90℃烘干、450℃退火4h,得到Sn掺杂ZnO粉体;
B. Sol-gel法制备ZnO溶胶:以三嵌段共聚物P123为模板剂、二水乙酸锌为前驱体、无水乙醇为溶剂、二乙醇胺为稳定剂、乙酰丙酮为螯合剂、乙基纤维素为成膜剂,制备ZnO溶胶。首先将1.092g P123溶于13mL无水乙醇中,搅拌至澄清后依次加入2.854g二水乙酸锌、1mL二乙醇胺和2mL乙酰丙酮,搅拌至完全溶解均匀后,加入0.198g乙基纤维素,70℃下油浴3h后取出,静置24h,得到稳定的ZnO溶胶;
C. 手术刀法制备ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜:
a 称取0.15g步骤A中的粉体及1.5g步骤B中的溶胶,再加入0.05mL曲拉通,在研钵中研磨30分钟,使浆料均匀无大颗粒粉体存在;
b 将清洗干净的导电玻璃用胶带固定在平整工作台上,取一小勺步骤a中制备好的浆料轻轻涂抹在导电玻璃表面,用洁净平直的刀片反复刮涂浆料,直至导电玻璃表面形成平整均匀的涂膜层厚膜。
D. 干燥及退火处理:将上述涂膜层厚膜置放于烤胶台上进行干燥,依次经过90℃干燥30min、120℃干燥2.5h~3h、160℃干燥2h,最后将厚膜置放于450 ℃的马弗炉中退火4h,自然冷却至室温,最终得到ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜。
有关的检测和测试
对实施例制备的Sn掺杂ZnO粉体进行N2吸附脱附表征,由附图1知,在吸附曲线与脱附曲线之间存在滞后环,这证明材料为介孔结构。由附图2 知,该方法制备的ZnO粉体孔径分布较宽,1~100nm间的介孔占所有孔径的比例很大,且经计算得到,Sn掺杂ZnO粉体的BET比表面积为52.05 m2/g,相对于纯ZnO粉体的29.32 m2/g,增加了77.5%。
将实施例制备的ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜作为电极用于染料敏化太阳能电池,并测试其J-V特性。附图3对比了其性能与纯ZnO厚膜、未经溶胶复合的Sn掺杂ZnO厚膜分别作为电极组装的染料敏化太阳能电池的性能。Sn掺杂ZnO厚膜电极组装的染料敏化太阳能电池效率为3.463%,较纯ZnO厚膜电极的3.031%提高了14.3%,进一步采用实施例制备的ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜电极组装的染料敏化太阳能电池具有更高的光电转换效率,达到了4.279%,较纯ZnO厚膜电极提高了41.2%。
Claims (1)
1.一种ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜的制备方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
A.水热法制备Sn掺杂ZnO粉体:以三嵌段共聚物P123为模板剂、二水乙酸锌为前驱体、五水四氯化锡为掺杂剂、尿素为缓冲剂、水为溶剂,配制成0.05mol/L 的Zn前驱溶液,Zn与Sn的摩尔比为9:1,然后放入高压釜中,90℃保温24h,得到的沉淀烘干后经450℃退火4h,最终成为Sn掺杂ZnO粉体;
B. Sol-gel法制备ZnO溶胶:以三嵌段共聚物P123为模板剂、二水乙酸锌为前驱体、无水乙醇为溶剂、二乙醇胺为稳定剂、乙酰丙酮为螯合剂,预先合成1mol/L的Zn的前驱溶液,其中无水乙醇∶二乙醇胺∶乙酰丙酮的体积比为13:1:2,之后再加入10wt%乙基纤维素作为成膜剂;在70℃下油浴3h,即得到ZnO溶胶;
C. 手术刀法制备ZnO溶胶复合Sn掺杂ZnO厚膜:
a. 按照1:10的质量比称取步骤A中的粉体及步骤B中的溶胶,再加入0.05mL曲拉通,在研钵中研磨30分钟,使浆料均匀无大颗粒粉体存在;
b. 将清洗干净的导电玻璃用胶带固定在平整工作台上,取一小勺步骤a中制备好的浆料轻轻涂抹在导电玻璃表面,用洁净平直的刀片反复刮涂浆料,直至导电玻璃表面形成平整均匀的涂膜层厚膜。
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