CN104112601A - 一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法 - Google Patents

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刘志锋
梁小平
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Abstract

本发明属于太阳能电池领域，涉及一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法，具体涉及采用溶胶-凝胶结合有机模板法制备大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。首先，将纳米级的聚苯乙烯微球(PS)分散于乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，然后以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，配制ZnO溶胶，最后，采用浸渍法将ZnO溶胶浸渍到涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃上，干燥，热处理去除模板剂，可得大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。该工艺过程简单，易于操作，制备的大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜孔径可控，电极膜均匀。

Description

一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法
技术领域
本发明属于太阳能电池领域，涉及一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法，具体涉及采用溶胶-凝胶结合有机模板法制备大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。
技术背景
随着地球上物质资源的不断减少和环境的日益恶化，能源与环境问题日益成为人们专注的焦点问题，为了实现可持续发展，必须保护人类赖以生存的自然环境与自然资源，这是人类进入21世纪面临的严重挑战。对此，科学工作者提出了资源与能源最充分利用和环境最小负担的概念。其中，开发洁净的新能源及新能源材料是这一概念的重要组成部分。太阳能作为一种洁净的新能源，其开发和利用早已引起了人们的广泛关注，而以光伏电池技术为核心的太阳能发电是开发利用太阳能最为有效的方法之一。
1991年，瑞士洛桑高等工业学院教授的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO2膜作半导体电极，以钌或锇的有机配合物作敏化剂，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶光电伏太阳能电池(NPC电池)，其光电能量转换率在AM1.5模拟日光照射下可达7.1％，入射光子-电流转换效率大于80％。此后，半导体光电化学电池再次成为研究热点。1993年，等人再次报道了光电能量转换率达10％的NPC太阳能电池，1997年其转换效率达到了10％～11％，短路电流为18mA·cm-2，开路电压为720mV。1998年，他们又研制出全固态NPC电池。这种电池采用固体有机空穴传输材料替代液体电解质，克服了先前湿式电池制造不方便、难以封装以及稳定性差的缺点，单色光光电转换效率达到33％，从而为NPC太阳能电池走向实际应用奠定良好基础。NPC太阳能电池最大的优势是廉价的成本、简单的制作工艺和高的稳定性，有很好的应用前景。
半导体纳米晶多孔膜是NPC电池光电转换的重要基础，它与致密膜的光电传输特性有着显著的差别，主要是由于：(1)纳米晶多孔膜材料没有内建电场，电荷在纳米晶多孔膜电极的传输机制不是在内建电场作用下的迁移机制，而是扩散机制；(2)纳米晶多孔材料允许电解质渗透到电极材料内部，形成三维尺度的半导体/电解质界面，增大了比表面，提高了界面电荷的转移速率，效率高。
在NPC电池中起着接收电子和传输电子作用的多孔薄膜，至少应满足以下3个条件：
(1)必须有足够大的比表面积，从而能够吸附大量的敏化剂；
(2)多孔薄膜吸附敏化剂的方式必须保证电子有效地注入薄膜的导带；
(3)电子在薄膜中有较快的传输速度，从而减少薄膜中电子和电解质受主的复合。
作为纳米晶太阳能电池的半导体电极膜材料，TiO2、ZnO等半导体具有良好的性能，其多孔薄膜能够很好的满足上述条件。
发明内容
本发明的目的在于提出一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法。
一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法。首先，将纳米级的聚苯乙烯微球(PS)分散于乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，然后以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，配制ZnO溶胶，最后，采用浸渍法将ZnO溶胶浸渍到涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃上，干燥，热处理去除模板剂，可得大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。
本发明还提出上述方法制备大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的过程及相关工艺参数，具体如下：首先，将20％～30％的400nm～600nm的聚苯乙烯微球(PS)分散于1∶1的乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，其中沉积电压为0.6V～0.8V，沉积时间5min～8min，然后，以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，加入3g/100mL～5g/100mL的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，在40℃～50℃下搅拌2h～3h，配制0.1mol/L～0.2mol/L的ZnO溶胶，最后，将涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃在ZnO溶胶浸渍10min～15min，在90℃～100℃下干燥2h～3h，在450℃～500℃下热处理2h～3h，其中在250℃下保温4h～6h，可得大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。
本发明的特点：
1、工艺过程简单，易于操作。
2、大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜孔径可控，电极膜均匀。
本制备工艺的使用方法如下：
1、典型PS胶晶模板制备的工艺参数：首先将20％～30％的400nm～600nm的聚苯乙烯微球(PS)分散于1∶1的乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，其中沉积电压为0.6V～0.8V，沉积时间5min～8min。
2、典型ZnO溶胶配制的工艺参数：以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，加入3g/100mL～5g/100mL的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，在40℃～50℃下搅拌2h～3h，配制0.1mol/L～0.2mol/L的ZnO溶胶。
3、典型大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜制备的工艺参数：将涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃在ZnO溶胶浸渍10min～15min，在90℃～100℃下干燥2h～3h，在450℃～500℃下热处理2h～3h，其中在250℃下保温4h～6h，可得大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例
首先，将20％的400nm的聚苯乙烯微球(PS)分散于1∶1的乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，其中沉积电压为0.6V，沉积时间8min，然后，以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，加入5g/100mL的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，在40℃下搅拌2h，配制0.1mol/L的ZnO溶胶，最后，将涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃在ZnO溶胶浸渍15min，在100℃下干燥2h，在500℃下热处理2h，其中在250℃下保温4h。
按前述方法制备。
可得孔径可控的大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。

Claims (4)

1.一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法，首先，将纳米级的聚苯乙烯微球(PS)分散于乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，然后以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，配制ZnO溶胶，最后，采用浸渍法将ZnO溶胶浸渍到涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃上，干燥，热处理去除模板剂，可得大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。
2.根据权利要求1所述一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法，其特征在于所述的PS胶晶模板制备的工艺包括以下：首先将20％～30％的400nm～600nm的聚苯乙烯微球分散于1∶1的乙醇-水溶液中，采用电泳沉积法在FTO导电玻璃上沉积PS胶晶模板，其中沉积电压为0.6V～0.8V，沉积时间5min～8min。
3.根据权利要求1所述一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法，其特征在于所述的ZnO溶胶配制的工艺包括如下：以硝酸锌为前驱体，乙醇为溶剂，加入3g/100mL～5g/100mL的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为介孔模板剂，在40℃～50℃下搅拌2h～3h，配制0.1mol/L～0.2mol/L的ZnO溶胶。
4.根据权利要求1所述一种大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜的制备方法，其特征在于所述的大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜制备的工艺包括如下：将涂覆PS胶晶的FTO导电玻璃在ZnO溶胶浸渍10min～15min，在90℃～100℃下干燥2h～3h，在450℃～500℃下热处理2h～3h，其中在250℃下保温4h～6h，可得大介孔ZnO纳米晶太阳能电极膜。
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