CN107946077A - 用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，在导电基底表面水热生长ZnO纳米棒、ZnO纳米棒表面硒化生长ZnSe及阳离子交换方式生长CdSe等过程，并将得到的ZnO/ZnSe/CdSe异质结纳米棒光阳极与铜片和电解液组装成量子点敏化太阳电池，进行电池光电性能表征。本发明首次采用水热合成和连续离子吸附联用方法在导电透明玻璃基底上原位生长出ZnO/ZnSe/CdSe异质结纳米棒，制备出的异质结纳米棒尺寸形貌均一性较好。同时，原位生长方式使得每层界面接触性良好，纳米棒牢固性好，电子传输速率快，能够显著提高量子点敏化太阳电池的光电转换效率。

Description

用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法
技术领域
本发明属于半导体异质结构功能材料制备及太阳能电池交叉应用，涉及用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法。
背景技术
随着经济社会的快速发展及人口数量的急剧增加，人们对化石能源的依赖与日俱增，导致了严重的环境污染及能源枯竭的问题。太阳能作为一种清洁可再生的可替代能源是人们研究的热点。太阳能电池由于能将太阳能直接转换为电能，被认为是目前最高效的太阳能利用形式。作为新型太阳能电池的一种，量子点敏化太阳电池具有低成本兼具高效率发展潜质。同时，相对于染料等有机分子具有较高的吸光系数和良好的稳定性。目前，已经开发了许多诸如CdS，CdSe，PbS及Sb2S3等量子点吸光材料。相对于常用的TiO2负载量子点敏化剂作为光阳极，ZnO纳米材料具有与TiO2几乎相同的能带隙。然而，ZnO纳米结构具有更高的电子迁移率，可以使得载流子更容易迁移到对电极。与此同时，ZnO的生长温度(～70-90℃)比TiO2的生长温度(～180-200℃)更低。此外，合成不同形貌特征的ZnO纳米材料可以提高太阳光利用率，这些对于提高量子点敏化太阳电池的光电转换效率具有重要的意义，例如花状纳米结构，片状纳米结构，林状纳米结构，纳米管，纳米线都被成功应用于太阳能电池研究之中(C.Y.Jiang,et al；Appl.Phys.Lett.,2007,90,263501.C.C.Wu,et al；Nanoscale Res.Lett.,2014,9,1-6.Y.T.Li,et al；J.Mater.Chem.A,2014,2,15546-15552.S.H.Ko,et al；Nano Lett.,2011,11,666–671.K.Keis,etal.Sol.EnergyMat.Sol.C.,2002,73,51-58.)。
在众多不同形貌ZnO纳米结构中，纳米棒阵列结构由于其规整的阵列结构不仅能够增加量子点的表面负载量和提高太阳光的利用效率，而且能够加快电荷传输抑制其在光阳极膜内的复合。目前，基于ZnO纳米材料制备的用于量子点敏化太阳电池光阳极主要包括ZnO/ZnSe、ZnO/CdSe,ZnO/ZnS和ZnO/ZnTe等半导体异质结构，这种异质结构可以形成叠瀑状的能级排布，壳层上的导带和价带位置与核层能够很好的匹配，有利于加快电荷传导和抑制电荷复合(K.Wang,et al；Adv.Mater.,20,3248-3253.J.Schrier,et al；Nano Lett.,2007,7,2377-2382.)。目前，还未见报道在ZnO纳米棒表面原位连续生长多级ZnO/ZnSe/CdSe异质结结构，并作为光阳极直接应用于量子点敏化太阳电池中。
发明内容
本发明的目的在于提供用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，本发明所采用的技术方案是按照以下步骤进行：
步骤1：将导电玻璃分别连续用洗洁精、去离子水及乙醇超声清洗干净；
步骤2：将清洗干净的导电玻璃表面旋涂ZnO种子层溶液，旋涂完成后在马弗炉中进行高温焙烧处理，种子层溶液由硝酸锌、2-甲氧基乙醇或乙醇胺组成；
步骤3：将处理后的导电玻璃浸置到含有六水硝酸锌与六亚甲基四胺混合溶液中，并在水浴环境下保温；
步骤4：将生长后的ZnO纳米棒阵列用去离子水冲洗干净后高温焙烧，除去多余有机物并提高ZnO晶型，得到ZnO纳米棒；
步骤5：将得到的ZnO纳米棒浸入硒离子溶液中得到ZnO/ZnSe纳米棒，用去离子水冲洗干净并烘干，其中，硒离子溶液是将硒粉和硼氢化钠溶解于去离子水中获得的；
步骤6：将ZnO/ZnSe纳米棒采用连续离子沉积方式继续沉积CdSe纳米晶。将ZnO/ZnSe纳米棒浸置在Cd(NO3)2溶液中室温保持一段时间，然后用去离子水冲洗干净并吹干；
步骤7：继续将ZnO/ZnSe纳米棒浸置于Na2SeSO3溶液中，然后用去离子水冲洗干净并吹干；
步骤8：重复循环步骤6和步骤7的离子吸附过程，即得ZnO/ZnSe/CdSe半导体异质结纳米棒；
步骤9：将得到的ZnO/ZnSe/CdSe半导体异质结纳米棒光阳极与铜片和电解液组装成量子点敏化太阳电池，并进行电池性能表征。
进一步，步骤2中硝酸锌与2-甲氧基乙醇物质的量之比为0.5～1.5。
进一步，步骤4中高温焙烧处理温度为350℃～550℃。
进一步，步骤5中硒离子溶液中加入硒粉和硼氢化钠的物质的量之比为1:0.5～1:5。
进一步，步骤6中Cd(NO3)2的浓度为0.1M～1M。
进一步，步骤7中Na2SeSO3溶液中加入硒粉和Na2SO3的物质的量之比为1:0.5～1:5。
进一步，步骤8中阴阳离子吸附沉积循环次数为1～5次。
本发明的有益效果是原位生长方式使得每层界面接触性良好，纳米棒牢固性好，电子传输速率快，能够显著提高量子点敏化太阳电池的光电转换效率。
附图说明
图1为ZnO/ZnSe/CdSe异质结纳米棒光阳极制备方法的示意图；
图2为实施例1所制备的ZnO纳米棒断面的扫描电镜(SEM)照片；
图3为实施例1所制备的ZnO纳米棒表面的扫描电镜(SEM)照片；
图4为实施例2所制备的ZnO/ZnSe纳米棒表面的扫描电镜(SEM)照片；
图5为实施例3所制备的ZnO/ZnSe/CdSe纳米棒的扫描电镜(SEM)照片；
图6为实施例3所制备的ZnO/ZnSe/CdSe异质结纳米棒的透射电镜(TEM)照片。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)将氟掺二氧化锡(FTO)透明导电玻璃(1.5cm×1.5cm)分别用洗洁精、去离子水及乙醇连续超声清洗干净；
(2)将清洗干净的FTO玻璃表面旋涂ZnO种子层溶液，旋涂完成后将玻璃放入马弗炉中在350℃下高温焙烧处理15min。种子层溶液由0.1M硝酸锌和0.1M 2-甲氧基乙醇组成；
(3)将处理后的导电玻璃浸置到含有0.02M六水硝酸锌与0.02M六亚甲基四胺混合溶液中，并在水浴环境下保温12h；
(4)将生长后的ZnO纳米棒阵列用去离子水冲洗干净后450℃马弗炉中焙烧1h，除去多余有机物并提高ZnO晶型，即得到FTO玻璃上原位生长的ZnO纳米棒，如图2和图3所示。
实施例2
(1)将氟掺二氧化锡(FTO)透明导电玻璃(1.5cm×1.5cm)分别用洗洁精、去离子水及乙醇连续超声清洗干净；
(2)将清洗干净的FTO玻璃表面旋涂ZnO种子层溶液，旋涂完成后将玻璃放入马弗炉中在350℃下高温焙烧处理15min。种子层溶液由0.1M硝酸锌和0.1M 2-甲氧基乙醇组成；
(3)将处理后的导电玻璃浸置到含有0.02M六水硝酸锌与0.02M六亚甲基四胺混合溶液中，并在水浴环境下保温12h；
(4)将生长后的ZnO纳米棒阵列用去离子水冲洗干净后450℃马弗炉中焙烧1h，除去多余有机物并提高ZnO晶型；
(5)将得到的ZnO纳米棒浸入硒离子溶液中，并在50℃下反应30min，即得ZnO/ZnSe纳米棒，将反应后的纳米棒用去离子水冲洗干净并烘干，如图4所示。其中，硒离子溶液是将10mM硒粉和20mM硼氢化钠溶解于去离子水中获得的；
实施例3
(1)将氟掺二氧化锡(FTO)透明导电玻璃(1.5cm×1.5cm)分别用洗洁精、去离子水及乙醇连续超声清洗干净；
(2)将清洗干净的FTO玻璃表面旋涂ZnO种子层溶液，旋涂完成后将玻璃放入马弗炉中在350℃下高温焙烧处理15min。种子层溶液由0.1M硝酸锌和0.1M 2-甲氧基乙醇组成；
(3)将处理后的导电玻璃浸置到含有0.02M六水硝酸锌与0.02M六亚甲基四胺混合溶液中，并在水浴环境下保温12h；
(4)将生长后的ZnO纳米棒阵列用去离子水冲洗干净后450℃马弗炉中焙烧1h，除去多余有机物并提高ZnO晶型；
(5)将得到的ZnO纳米棒浸入硒离子溶液中，并在50℃下反应30min，即得ZnO/ZnSe纳米棒，将反应后的纳米棒用去离子水冲洗干净并烘干。其中，硒离子溶液是将10mM硒粉和20mM硼氢化钠溶解于去离子水中获得的；
(6)将ZnO/ZnSe纳米棒采用连续离子沉积方式继续沉积CdSe纳米晶。将ZnO/ZnSe纳米棒浸置在0.3M Cd(NO3)2溶液中室温保持5min，然后用去离子水冲洗干净并用吹风机吹干；
(7)继续将ZnO/ZnSe纳米棒浸置于Na2SeSO3溶液中，在50℃下保持20min，然后用去离子水冲洗干净并用吹风机吹干，即得ZnO/ZnSe/CdSe纳米棒异质结光阳极，如图5和图6所示。其中，Na2SeSO3溶液是由0.3M硒粉和0.9M Na2SO3混合溶液组成；
实施例4
(1)将氟掺二氧化锡(FTO)透明导电玻璃(1.5cm×1.5cm)分别用洗洁精、去离子水及乙醇连续超声清洗干净；
(2)将清洗干净的FTO玻璃表面旋涂ZnO种子层溶液，旋涂完成后将玻璃放入马弗炉中在350℃下高温焙烧处理15min。种子层溶液由0.1M硝酸锌和0.1M 2-甲氧基乙醇组成；
(3)将处理后的导电玻璃浸置到含有0.02M六水硝酸锌与0.02M六亚甲基四胺混合溶液中，并在水浴环境下保温12h；
(4)将生长后的ZnO纳米棒阵列用去离子水冲洗干净后450℃马弗炉中焙烧1h，除去多余有机物并提高ZnO晶型；
(5)将得到的ZnO纳米棒浸入硒离子溶液中，并在50℃下反应30min，即得ZnO/ZnSe纳米棒，将反应后的纳米棒用去离子水冲洗干净并烘干。其中，硒离子溶液是将10mM硒粉和20mM硼氢化钠溶解于去离子水中获得的；
(6)将ZnO/ZnSe纳米棒采用连续离子沉积方式继续沉积CdSe纳米晶。将ZnO/ZnSe纳米棒浸置在0.3M Cd(NO3)2溶液中室温保持5min，然后用去离子水冲洗干净并用吹风机吹干；
(7)继续将ZnO/ZnSe纳米棒浸置于Na2SeSO3溶液中，在50℃下保持20min，然后用去离子水冲洗干净并用吹风机吹干。其中，Na2SeSO3溶液是由0.3M硒粉和0.9MNa2SO3混合溶液组成；
(8)继续采用步骤6和7中的阴阳离子吸附沉积方法，沉积得到不同的CdSe层厚度，循环次数分别选择1，2，3，4及5次，即得ZnO/ZnSe/CdSe半导体异质结纳米棒。
(9)将得到的不同循环次数后得到的ZnO/ZnSe/CdSe异质结纳米棒光阳极与铜片和电解液组装成量子点敏化太阳电池，并进行电池性能表征。表1为采用不同离子吸附沉积循环次数的ZnO/ZnSe/CdSe异质结构纳米棒光阳极对量子点敏化太阳电池性能的影响。
表1
本发明具有的优点还在于：本发明采用水热合成和连续离子吸附联用方法在导电透明玻璃基底上原位生长出ZnO/ZnSe/CdSe异质结纳米棒，制备出的异质结纳米棒尺寸形貌均一性较好。同时，原位生长方式使得每层界面接触性良好，纳米棒牢固性好，电子传输速率快，能够显著提高量子点敏化太阳电池的光电转换效率。本发明制备工艺简单，成本较低，适合大面积生产。
以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于按照以下步骤进行：
步骤1：将导电玻璃分别连续用洗洁精、去离子水及乙醇超声清洗干净；
步骤2：将清洗干净的导电玻璃表面旋涂ZnO种子层溶液，旋涂完成后在马弗炉中进行高温焙烧处理，种子层溶液由硝酸锌、2-甲氧基乙醇或乙醇胺组成；
步骤3：将处理后的导电玻璃浸置到含有六水硝酸锌与六亚甲基四胺混合溶液中，并在水浴环境下保温；
步骤4：将生长后的ZnO纳米棒阵列用去离子水冲洗干净后高温焙烧，除去多余有机物并提高ZnO晶型，得到ZnO纳米棒；
步骤5：将得到的ZnO纳米棒浸入硒离子溶液中得到ZnO/ZnSe纳米棒，用去离子水冲洗干净并烘干，其中，硒离子溶液是将硒粉和硼氢化钠溶解于去离子水中获得的；
步骤6：将ZnO/ZnSe纳米棒采用连续离子沉积方式继续沉积CdSe纳米晶。将ZnO/ZnSe纳米棒浸置在Cd(NO3)2溶液中室温保持一段时间，然后用去离子水冲洗干净并吹干；
步骤7：继续将ZnO/ZnSe纳米棒浸置于Na2SeSO3溶液中，然后用去离子水冲洗干净并吹干；
步骤8：重复循环步骤6和步骤7的离子吸附过程，即得ZnO/ZnSe/CdSe半导体异质结纳米棒；
步骤9：将得到的ZnO/ZnSe/CdSe半导体异质结纳米棒光阳极与铜片和电解液组装成量子点敏化太阳电池，并进行电池性能表征。
2.按照权利要求1所述用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤2中硝酸锌与2-甲氧基乙醇物质的量之比为0.5～1.5。
3.按照权利要求1所述用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤4中高温焙烧处理温度为350℃～550℃。
4.按照权利要求1所述用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤5中硒离子溶液中加入硒粉和硼氢化钠的物质的量之比为1:0.5～1:5。
5.按照权利要求1所述用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤6中Cd(NO3)2的浓度为0.1M～1M。
6.按照权利要求1所述用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤7中Na2SeSO3溶液中加入硒粉和Na2SO3的物质的量之比为1:0.5～1:5。
7.按照权利要求1所述用于量子点敏化太阳电池纳米棒状结构光阳极的制备方法，其特征在于：所述步骤8中阴阳离子吸附沉积循环次数为1～5次。
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