CN105931849A - 一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法及其制得的光阳极膜 - Google Patents

一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法及其制得的光阳极膜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法,首先将六水合硝酸锌、尿素溶解于去离子水中,得到硝酸锌尿素水溶液;所述溶液中六水合硝酸锌的浓度为0.05~0.20M、尿素的浓度为1.5~3.5M;然后将预先制备的ZnO纳米棒膜放于反应釜中,加入所述硝酸锌尿素水溶液,置于烘箱中在80~100℃温度下反应2~8h;反应结束后进行清洗、干燥、煅烧,即得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜。此外,还公开了利用上述制备方法获得的光阳极膜。本发明通过在已制备好的ZnO纳米棒膜上原位生长ZnO纳米片,获得具有ZnO纳米棒和ZnO纳米片复合结构的光阳极膜,从而极大地增加了比表面积,克服了现有技术由于染料吸附量少所导致的相应电池光电转化率低这一现实问题,同时又具有ZnO纳米棒电子传输路径短的优点,因此能够显著改善ZnO纳米棒基光阳极膜的性能。

Description

一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法及其制得的 光阳极膜
技术领域
本发明涉及能源技术领域,尤其涉及一种用于染料敏化太阳能电池、具有ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法及其制得的光阳极膜。
背景技术
染料敏化太阳能电池是一种新型的光电转换太阳能电池,其制作工艺简单、性能稳定、成本低,具有很好的市场应用前景。纳米晶半导体光阳极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分之一,对电池的光电性能产生重要影响。一维ZnO纳米棒(ZnO NRs)阵列作为染料敏化太阳能电池的光阳极,为光生电子的传输提供了直接路径,减少了电子在传输过程中的复合损失,拥有良好的电子传输性能,有利于染料敏化太阳能电池光电转换效率的提高。然而,一维ZnO纳米棒的比表面积小,吸附的染料少,因此电池的光生电子和短路电流密度低,从而限制了染料敏化太阳能电池光电转换效率的提升。在利用ZnO纳米棒短的电子传输路径等优势的同时,如果能够有效增加ZnO纳米棒的比表面积,将有助于改善光阳极膜的光电等性能,从而有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法,通过在ZnO纳米棒上原位复合具有多级结构的ZnO纳米片,使得光阳极膜具有ZnO纳米棒/纳米片复合结构,从而有效解决现有技术ZnO纳米棒比表面积小所导致的染料吸附量少、相应电池光电转化率低这一现实问题。本发明的另一目的在于提供利用上述方法获得的光阳极膜。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现:
本发明提供的一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法,包括以下步骤:
(1)将六水合硝酸锌、尿素溶解于去离子水中,得到硝酸锌尿素水溶液;所述溶液中六水合硝酸锌的浓度为0.05~0.20M、尿素的浓度为1.5~3.5M;
(2)将预先制备的ZnO纳米棒膜放于反应釜中,加入所述硝酸锌尿素水溶液,置于烘箱中在80~100℃温度下反应2~8h;反应结束后进行清洗、干燥、煅烧,即得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极。
进一步地,本发明所述步骤(2)中预先制备的ZnO纳米棒膜朝下倾斜放于反应釜中;煅烧温度为350~450℃,煅烧时间为30~120min。
本发明的另一目的通过以下技术方案予以实现:
利用上述ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法获得的光阳极膜,具有由ZnO纳米棒和ZnO纳米片组成的多级结构,所述ZnO纳米片附着于ZnO纳米棒的表面;所述ZnO纳米片由直径为20~30nm的ZnO颗粒组成;所述ZnO颗粒之间具有介孔,ZnO纳米片相互堆积而具有微孔。
本发明具有以下有益效果:
本发明在已制备好的ZnO纳米棒膜的基础上,采用化学浴沉积法,在ZnO纳米棒上原位生长ZnO纳米片,从而获得ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜;而且,ZnO纳米片由ZnO纳米颗粒组成,ZnO纳米颗粒之间存在大量的介孔,而微米级的ZnO纳米片相互堆积形成微孔,从而极大地增加了比表面积,克服了现有技术由于染料吸附量少所导致的相应电池光电转化率低这一现实问题,同时又具有ZnO纳米棒电子传输路径短的优点,因此能够显著改善ZnO纳米棒基光阳极膜的性能。
附图说明
下面将结合实施例和附图对本发明作进一步的详细描述:
图1是本发明预先制备的ZnO纳米棒膜的SEM图;
图2是本发明实施例一制得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的SEM图;
图3是采用本发明实施例ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜制成的染料敏化太阳能电池的J-V曲线。
具体实施方式
本发明以氟掺氧化锡导电玻璃作为导电基底,首先在导电基底上预先制备出ZnO纳米棒膜,然后在此基础上通过下列实施例采用硝酸锌尿素水溶液进行改性,制备出ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜。
上述预先制备的ZnO纳米棒膜的制备方法如下:
(a)ZnO种子层的制备
将Zn(CH3COO)2·2H2O和C4H11NO2溶于C3H8O2溶液中(混合溶液中Zn(CH3COO)2·2H2O和C4H11NO2的浓度均为0.3M),磁力搅拌10h,静置10h,得到种子层溶液;将清洗干净的规格为2.0cm×7.5cm的FTO导电玻璃用提拉法浸渍种子层溶液,4s后取出,用无尘纸擦拭掉非导电面的溶液,自然条件下晾干;然后在马弗炉中进行煅烧,500℃温度下保温30min;重复上述整个过程一次,制备得到附着于导电基底表面的ZnO种子层;
(b)前驱体溶液的配制
前驱体溶液为0.05M的Zn(NO3)2·6H2O、0.06M的六次甲基四氨(C6H12N4,简称HMT)和0.003M的聚乙烯亚胺((C6H21N5)n,简称PEI)的去离子水溶液,在95℃温度下预热3h;然后超声处理5min,以去除溶液中的气泡;
(c)水热合成法制备ZnO纳米棒膜
将上述已附着有ZnO种子层的导电基底置于装有去离子水的烧杯中预热0.5h后,超声处理5min,以去除种子层表面的气泡;然后以导电面朝下、斜靠于反应釜内胆的方式放入已预热0.5h的反应釜中,加入上述配制处理好的前驱体溶液80mL,反应釜组装完毕后置于温度可控烘箱中进行生长反应,升温速度和保温时间依次为90℃保温8h、92℃保温4h、95℃保温4h、97℃保温4h、105℃保温2h、120℃保温1.5h、125℃保温1.5h、130℃保温1.5h,即制得预先制备的ZnO纳米棒膜(见图1)。
实施例一:
本实施例一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极的制备方法,其步骤如下:
(1)称取尿素14g放入70ml去离子水中搅拌溶解,然后加入3.12g六水合硝酸锌搅拌溶解,得到尿素、六水合硝酸锌浓度分别为3.33M、0.15M的硝酸锌尿素水溶液;
(2)将上述预先制备的ZnO纳米棒膜朝下倾斜放于容积为100mL的反应釜中,加入上述硝酸锌尿素水溶液至反应釜容积的70%,置于烘箱中在90℃温度下反应2h;反应结束后取出,用去离子水清洗,在60℃烘箱中烘干后,放于马弗炉中在350℃温度下煅烧,升温速率为8℃/min,保温30min,即制得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜。
如图2所示,本实施例制备得到的ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜具有由ZnO纳米棒和ZnO纳米片组成的多级结构,ZnO纳米片附着于ZnO纳米棒的表面;ZnO纳米片由直径为20~30nm的ZnO颗粒组成;ZnO颗粒之间具有介孔,ZnO纳米片相互堆积而具有微孔。与图1所示的单一的ZnO纳米棒膜相比,本实施例ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜极大地增加了比表面积,从而能够显著改善ZnO纳米棒基光阳极膜的性能。
实施例二:
本实施例一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极的制备方法,其步骤如下:
(1)称取尿素14g放入70ml去离子水中搅拌溶解,然后加入1.45g六水合硝酸锌搅拌溶解,得到尿素、六水合硝酸锌浓度分别为3.33M、0.07M的硝酸锌尿素水溶液;
(2)将上述预先制备的ZnO纳米棒膜朝下倾斜放于容积为100mL的反应釜中,加入上述硝酸锌尿素水溶液至反应釜容积的70%,置于烘箱中在90℃温度下反应4h;反应结束后取出,用去离子水清洗,在60℃烘箱中烘干后,放于马弗炉中在350℃温度下煅烧,升温速率为8℃/min,保温30min,即制得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜。
实施例三:
本实施例一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极的制备方法,其步骤如下:
(1)称取尿素14g放入70ml去离子水中搅拌溶解,然后加入1.45g六水合硝酸锌搅拌溶解,得到尿素、六水合硝酸锌浓度分别为3.33M、0.07M的硝酸锌尿素水溶液;
(2)将上述预先制备的ZnO纳米棒膜朝下倾斜放于容积为100mL的反应釜中,加入上述硝酸锌尿素水溶液至反应釜容积的70%,置于烘箱中在90℃温度下反应7h;反应结束后取出,用去离子水清洗,在60℃烘箱中烘干后,放于马弗炉中在350℃温度下煅烧,升温速率为8℃/min,保温30min,即制得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜。
实施例四:
本实施例一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极的制备方法,其步骤如下:
(1)称取尿素14g放入70ml去离子水中搅拌溶解,然后加入1.04g六水合硝酸锌搅拌溶解,得到尿素、六水合硝酸锌浓度分别为3.33M、0.05M的硝酸锌尿素水溶液;
(2)将上述预先制备的ZnO纳米棒膜朝下倾斜放于容积为100mL的反应釜中,加入上述硝酸锌尿素水溶液至反应釜容积的70%,置于烘箱中在90℃温度下反应7h;反应结束后取出,用去离子水清洗,在60℃烘箱中烘干后,放于马弗炉中在350℃温度下煅烧,升温速率为8℃/min,保温30min,即制得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜。
采用本发明上述实施例制得的ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜,按照以下方法制成染料敏化太阳能电池:
将煅烧后冷却至80℃的本发明实施例ZnO光阳极膜,在0.05mM N719染料中于室温下浸渍2h,取出光阳极膜用无水乙醇冲洗表面的N719染料,然后将烘干后吸附了N719染料的光阳极膜与热解铂的FTO对电极组成开放式的三明治结构电池。在光阳极和对电极之间滴加电解质,液态电解质的组成为0.6M 1-丁基-3-甲基咪唑碘盐、0.06M LiI、0.03M I2、0.5M 4-叔丁基吡啶以及0.1M异硫氰酸胍的乙腈溶液,固态电解质的组成为PEO基聚合物胶体电解质:0.1M LiI、0.1M I2、0.6M 1、2-二甲基-3-丙基咪唑碘、0.45M N-甲基-苯并咪唑、溶剂3-甲氧基丙腈(MePN)和重量为以上电解液总质量的7.5%的聚氧化乙烯(PEO)。所得的染料敏化太阳能电池的光电性能参数如表1所示。
表1 本发明实施例染料敏化太阳能电池光电性能参数

Claims (5)

1.一种ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)将六水合硝酸锌、尿素溶解于去离子水中,得到硝酸锌尿素水溶液;所述溶液中六水合硝酸锌的浓度为0.05~0.20M、尿素的浓度为1.5~3.5M;
(2)将预先制备的ZnO纳米棒膜放于反应釜中,加入所述硝酸锌尿素水溶液,置于烘箱中在80~100℃温度下反应2~8h;反应结束后进行清洗、干燥、煅烧,即得到ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极。
2.根据权利要求1所述的ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中煅烧温度为350~450℃,煅烧时间为30~120min。
3.根据权利要求1或2所述的ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法,其特征在于:所述步骤(2)中预先制备的ZnO纳米棒膜朝下倾斜放于反应釜中。
4.利用权利要求1-3之一所述ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜的制备方法获得的光阳极膜。
5.根据权利要求4所述的光阳极膜,其特征在于:所述ZnO纳米棒/纳米片复合结构光阳极膜具有由ZnO纳米棒和ZnO纳米片组成的多级结构,所述ZnO纳米片附着于ZnO纳米棒的表面;所述ZnO纳米片由直径为20~30nm的ZnO颗粒组成;所述ZnO颗粒之间具有介孔,ZnO纳米片相互堆积而具有微孔。
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