CN108457001B - 静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法 - Google Patents
静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，具体为将一定比例的Ag纳米线溶胶溶液加入到醋酸锌和PVP的混合水溶液中，经充分混合得到均一的Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP的混合纺丝溶液；通过静电纺丝法，将该纺丝溶液纺成纳米尺度的ZnO/Ag/PVP纳米纤维，该纳米纤维堆积成纳米尺度薄膜，通过控制喷丝时间，控制薄膜厚度；ZnO/Ag/PVP纳米纤维薄膜经高温煅烧，去除高分子PVP，获得具有较高导电性的ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜。该制备方法工艺简单、容易操作，并且制备的纳米纤维能够获得非常好的形貌结构。应用该方法制备的ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜可作为电子传输层，应用于聚合物太阳能电池中，使电池的光电转化性能提高10％以上。
Description
技术领域
本发明涉及纳米杂化材料制备领域，尤其涉及一种静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，应用到聚合物太阳能电池器件中。
背景技术
通过静电纺丝技术制备的复合纳米纤维被认为是一种具有潜在应用价值的复合材料。静电纺丝技术能使纤维变成纳米级的原因是：高压静电场在毛细喷丝头和接地极间产生一个电位差，使毛细管内聚合物溶液克服自身的表面张力和粘弹性力，在喷丝头末端呈现球状液滴。随着电场强度的增加，液滴被拉成圆锥状即Taylor锥。当电场强度超过临界值后，将克服液滴的表面张力形成射流，在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环或者循螺旋形路径行走，伴随着溶剂挥发，终落在收集板上，直径一般在几十纳米到几微米之间。与其他传统的制备纳米纤维的方法相比，静电纺丝法工艺简单，运行成本低，容易实现工业化。静电纺丝技术得到的纳米纤维具有极大的比表面积，因而具有很强的吸附性以及良好的过滤性、阻隔性、粘合性和保温性。一般情况下，纳米纤维的这些特性被广泛的应用于原子工业、无菌室、精密工业、涂料行业、服装行业等等。
多空ZnO纳米材料是一种理想的电子传输材料，比表面积巨大，能够提供更多的激子分离界面，有效的提高激子分离效率。制备ZnO电子传输薄膜的方法有很多，最常见的是例如脉冲激光沉积法、磁控溅射法、喷雾热分解法、电化学沉积法等等，但是这些方法不仅设备复杂、而且生产效率低并且成本较高。
因此，本领域的技术人员致力于应用静电纺丝法，开发一种操作容易、工艺简单、重复性好的ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，能很好作为电子传输薄膜应用到太阳能电池的制备上，并能显著的提高太阳能的光电转换效率。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：1、将静电纺织技术应用于ZnO纳米材料的制备；2、提供一种工艺简单、容易操作、并且能够获得非常好的形貌结构的ZnO-Ag纳米材料的制备方法；3、提供一种ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜材料，该材料可用于太阳能电池的制备，并获得较高的光电转换效率。
为实现上述目的，本发明提供一种静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，所述方法包括以两个下步骤。
步骤1、制备Ag纳米线；
步骤2、应用静电纺丝法制备ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜。
步骤3、所述ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜应用到聚合物太阳能电池器件中。
进一步地，所述步骤1具体包括以下三个步骤。
步骤1.1、取聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到第一乙二醇溶液中搅拌至溶解制得PVP溶液；
再进一步地，所述步骤1.1中的PVP的量为0.5-0.05重量份，所述PVP的平均分子量为1000；所述乙二醇用量为10-2体积。
步骤1.2、取AgNO3加入到第二乙二醇溶液中搅拌至溶解制得AgNO3溶液；所述第一乙二醇溶液与第二乙二醇溶液等量；
再进一步地，所述步骤1.2中的AgNO3的量为0.2-0.02重量份，优选为0.14-0.04重量份，进一步优选为0.1重量份。
步骤1.3、将所述PVP溶液预先加热，然后取所述AgNO3溶液加入到所述PVP溶液中，继续反应，反应结束即可得到Ag纳米线溶胶；
再进一步地，所述步骤1.3中的PVP溶液的加热温度为170℃，预热时间为1h；
再进一步地，所述步骤1.3中的AgNO3溶液的加入方式为滴加，滴加速度为0.6mL/min；滴加所述AgNO3溶液后，继续反应的时间为10min。
进一步地，所述步骤2具体包括以下三个步骤。
步骤2.1、将醋酸锌和PVP加入到乙醇与水的混合溶液中，随后加入所述步骤1.3制备的Ag纳米线溶胶，搅拌均匀后获得均一的Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP溶液；
再进一步地，所述步骤2.1中醋酸锌的量为1.8-0.2重量份，优选为1.6-0.4重量份，进一步优选为1.0重量份；所述步骤2.1中PVP的量为0.8-0.3重量份；
再进一步地，所述步骤2.1中乙醇与水的混合溶液的重量比为水：乙醇＝95：5，所述混合溶液的体积为12-8体积。
步骤2.2、将所述Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP溶液在加速电压下运用喷头进行静电纺丝，制备成Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP纳米纤维，并用导电玻璃收集，所述Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP纳米纤维在所述导电玻璃上堆积成纳米尺度的薄膜。
步骤2.3、将载有纳米薄膜的导电玻璃进行煅烧，即可得到负载在所述导电玻璃上的ZnO/Ag纳米纤维薄膜。
进一步地，所述步骤3具体包括以下两个步骤。
步骤3.1、在所述ZnO/Ag纳米纤维薄膜上通过旋转涂膜法旋涂总体浓度为25mg/mL的PTB7-Th:PC71BM的氯苯溶液，制备100nm厚的光活性层；
步骤3.2、在电阻真空蒸镀设备中，在所述光活性层上真空蒸镀10nm厚度的MoO3空穴传输层和100nm厚度的Ag阳极电极。
本发明巧妙的运用静电纺丝过程，将ZnO的前驱物与纳米银进行杂化，并在PVP的支撑下通过纺丝获得纳米结构线的杂化物质结构；对Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP纳米线堆积薄膜进行高温煅烧后即可获得ZnO/Ag纳米纤维薄膜。本方法不仅得到了多空的ZnO纳米材料，并且运用静电纺丝技术对其进行了纳米银线的掺杂。根据本发明的ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜制备方法与其他的ZnO薄膜的制备方法相比不仅工艺简单、容易操作，并且制备的纳米纤维能够获得非常好的形貌结构，纳米纤维粗细保持在0.2微米左右；由该纤维堆积成的薄膜具有丰富的多空结构，将其应用到太阳能电池的制备上，获得了较高的光电转换效率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例使用的静电纺丝设备示意简图；
图2-1是本发明的一个较佳实施例的银纳米线扫描电镜图局部放大图；
图2-2是本发明的一个较佳实施例的银纳米线扫描电镜图；
图3-1是本发明的一个较佳实施例的ZnO-Ag纳米杂化薄膜扫描电镜图；
图3-2是本发明的一个较佳实施例的ZnO-Ag纳米杂化薄膜扫描电镜图局部放大图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
以下参考说明书附图介绍本发明的多个实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
实施例1
ZnO-Ag纳米电子传输薄膜的制备，包括步骤1和步骤2。
步骤1、Ag纳米线的制备，包括以下子步骤：
步骤1.1、取0.25g的PVP加入到6ml的乙二醇中搅拌至溶解制得PVP溶液；
步骤1.2、取0.1g的AgNO3加入到与上述等量的乙二醇溶液中搅拌至溶解制得AgNO3溶液；
步骤1.3、将PVP溶液在170℃下预先加热1h，然后取上述AgNO3溶液以6mL/min的速度加入到PVP溶液中，继续反应10min；反应结束即可得到Ag纳米线溶胶。得到的Ag纳米结构如图2-1和图2-2所示，可以看出银纳米线的宽度为20纳米左右。
步骤2、运用静电纺丝的方法制备ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜，包括以下子步骤：
步骤2.1、将1g醋酸锌和0.5gPVP加入到10g乙醇与水的混合溶液中(水：乙醇＝95：5)，随后加入1mL步骤1制备的纳米银线溶胶，搅拌均匀后获得均一的Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP溶液；
步骤2.2、应用如图1所示的静电纺丝设备，将该溶液在30kv加速电压1下运用特制的0.05微米的喷头进行静电纺丝，制备成Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP纳米纤维，并用导电玻璃2收集该纳米纤维；1min后，该纳米纤维在导电玻璃上堆积成纳米尺度的薄膜；
步骤2.3、将载有纳米薄膜的导电玻璃在500℃煅烧30min，即可得到负载在导电玻璃上的ZnO-Ag纳米电子传输薄膜。
如图3-1和图3-2是ZnO-Ag纳米杂化薄膜扫描电镜图，从图中可以看出该薄膜为多空结构，外观形貌良好，纤维宽度为0.2微米左右。
实施例2
除了将步骤1.2中AgNO3的加入量改为0.2重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例3
除了将步骤1.2中AgNO3的加入量改为0.14重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例4
除了将步骤1.2中AgNO3的加入量改为0.04重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例5
除了将步骤1.2中AgNO3的加入量改为0.02重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例6
除了将步骤2.1中Zn(CH3COO)2的加入量改为1.8重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例7
除了将步骤2.1中Zn(CH3COO)2的加入量改为1.6重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例8
除了将步骤2.1中Zn(CH3COO)2的加入量改为0.4重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例9
除了将步骤2.1中Zn(CH3COO)2的加入量改为0.2重量份以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例10
除了将步骤2.2中喷丝时间改为300s以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例11
除了将步骤2.2中喷丝时间改为100s以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例12
除了将步骤2.2中喷丝时间改为30s以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例13
除了将步骤2.2中喷丝时间改为5s以外，按照实施例1相同的方法制备ZnO-Ag纳米杂化电子传输薄膜。
实施例14
将实施例1-13获得的ZnO-Ag纳米杂化薄膜作为电子传输薄膜应用到太阳能电池的制备上，测定其光电转换效率，数值如表1中所示。
表1 各个实施例对应的光电转换效率
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、制备Ag纳米线：
步骤1.1、取聚乙烯吡咯烷酮（PVP）加入到第一乙二醇溶液中搅拌至溶解制得PVP溶液；
步骤1.2、取AgNO3加入到第二乙二醇溶液中搅拌至溶解制得AgNO3溶液；所述第一乙二醇溶液与第二乙二醇溶液等量；
步骤1.3、将所述PVP溶液预先加热，然后取所述AgNO3溶液加入到所述PVP溶液中，继续反应，反应结束即可得到Ag纳米线溶胶；
步骤2、应用静电纺丝法制备ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜：
步骤2.1、将醋酸锌和PVP加入到乙醇与水的混合溶液中，随后加入所述步骤1.3制备的Ag纳米线溶胶，搅拌均匀后获得均一的Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP溶液；
步骤2.2、将所述Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP溶液在加速电压下运用喷头进行静电纺丝，制备成Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP纳米纤维，并用导电玻璃收集，所述Zn(CH3COO)2/Ag线/PVP纳米纤维在所述导电玻璃上堆积成纳米尺度的薄膜；
步骤2.3、将载有纳米薄膜的导电玻璃进行煅烧，即可得到负载在所述导电玻璃上的ZnO/Ag纳米纤维薄膜；
步骤3、将所述ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜应用到聚合物太阳能电池器件中；
步骤3.1、在所述ZnO/Ag纳米纤维薄膜上旋涂100nm厚的光活性层；
步骤3.2、在所述光活性层上真空蒸镀MoO3空穴传输层和Ag阳极电极。
2.如权利要求1所述的静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤1.1中的PVP的量为0.05-0.5重量份，所述PVP的平均分子量为1000；
所述步骤1.2中的AgNO3的量为0.02-0.2重量份。
3.如权利要求1所述的静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中的PVP溶液的加热温度为170℃，预热时间为1h。
4.如权利要求1所述的静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤1.3中的AgNO3溶液的加入方式为滴加，滴加速度为0.6mL/min；
滴加所述AgNO3溶液后，继续反应的时间为10min。
5.如权利要求1所述的静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，
所述步骤2.1中醋酸锌的量为0.2-1.8重量份；
所述步骤2.1中PVP的量为0.3-0.8重量份。
6.如权利要求5所述的静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2.1中醋酸锌的量为0.4-1.6重量份。
7.如权利要求5所述的静电纺丝法获取ZnO/Ag纳米杂化电子传输薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2.1中混合溶液中的水与乙醇的重量比为95：5。
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