一種原位合成ZnO納米片光陽極膜及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種原位合成ZnO納米片光陽極膜及其制備方法，通過采用高濃度的六水硝酸鋅和六次甲基四胺水溶液，并通過延長水熱合成反應時間，采用水熱合成法原位合成具有多級結構的ZnO納米片染料敏化太陽能電池光陽極膜。本發明專利技術所制備的ZnO納米片膜具有如下特點：所制備的二維ZnO納米片縮短了光生電子的傳輸路徑；所制備的ZnO納米片膜具有微孔，微孔有利于電解質在納米片膜中的擴散；所制備的ZnO納米片膜具有大量介孔，介孔增加了ZnO納米片膜的比表面積，有利于增加染料吸附量，從而增加電池的短路電流。本發明專利技術的所制得的光陽極膜組裝成染料敏化太陽能電池光電轉化效率高。本發明專利技術還具有反應溫度低、工藝過程簡單、設備簡單和成本低等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及太陽能電池
，特別是一種原位合成ZnO納米片光陽極膜及其 制備方法。
技術介紹
當前，研究和應用最廣泛的太陽能電池主要是硅系太陽能電池，但由于其成本高、 工藝復雜、能耗大、生產過程中會對環境造成污染等問題，從而限制了其廣泛應用。1991 年，Giiitze丨等首次報道了光電轉換效率達7. 9%的染料敏化太陽能電池 （Dye Sensitized Solar Cell，簡稱DSSC)，開創了太陽能電池研究和發展的全新領域。DSSC由光陽極、對電 極、染料敏化劑、導電基底、電解質等幾部分構成，其中光陽極是DSSC的核心部件。納米ZnO 材料是一種重要的DSSC光陽極材料，當前獲得了應泛的研究。已有多種不同形貌的ZnO應 用于DSSC中，如ZnO納米棒、多級結構ZnO微球、ZnO納米粒、ZnO納米線以及ZnO復合結構 等。具有多級結構的 Zn0納米片由于具有較大的比表面積和良好的孔隙通道，有利于增加 染料吸附量、電解質的擴散和電子的傳輸，因此有利于染料敏化太陽能電池效率的提高。 目前制備ZnO納米片光陽極膜主要方法有電化學沉積法和化學浴沉積法，其中電 化學沉積法獲得的薄膜較薄。化學浴沉積法主要是采用二水乙酸鋅/甲醇、六水合硝酸鋅/ 尿素為起始反應體系，這兩種反應體系可制備垂直導電襯底的多孔ZnO納米片。六水硝酸 鋅/六次甲基四胺水溶液體系廣泛地應用于ZnO納米棒的生長，因為ZnO是極性晶體，液相 法合成ZnO時，生長基元2很容易在正極性面上聚集，推動ZnO晶體沿著c軸方 向快速生長，從而使得ZnO晶體易呈現棒狀。但是，ZnO納米棒光陽極的比表面積較小，吸 附染料量低，從而限制了 ZnO納米棒DSSC的光電轉換率。
技術實現思路
本專利技術的目的是要解決現有技術問題的不足，提供一種原位合成ZnO納米片光陽 極膜及其制備方法，采用高濃度的六水硝酸鋅/六次甲基四胺水溶液，并通過延長水熱合 成反應時間，使生長的ZnO棒再溶解然后合成ZnO納米片。 為達到上述目的，本專利技術是按照以下技術方案實施的： -種原位合成ZnO納米片光陽極膜，包括FTO導電玻璃，還包括位于FTO導電玻璃 的導電層上的由ZnO納米片交錯堆疊組成的ZnO納米片層，所述ZnO納米片之間相互交錯、 堆疊形成微孔。 進一步的，所述ZnO納米片由ZnO納米顆粒組成，ZnO顆粒的直徑為20~25nm，所 述ZnO納米片上的ZnO納米顆粒之間布有介孔。 -種原位合成ZnO納米片光陽極膜的制備方法，包括以下步驟： 1)生長液的配制：將六水硝酸鋅和六次甲基四胺溶解在25°C的去離子水中，并 將溶液攪拌均勻，即得生長液，生長液中六水硝酸鋅和六次甲基四胺在水溶液中的濃度相 同； 2) ZnO納米片膜的制備：將清洗干凈的FTO導電玻璃的導電面朝下傾斜放置于水 熱反應釜中，將已配好的生長液移入水熱反應釜中，并且生長液的液面高于FTO導電玻璃 最高點；將水熱反應釜放在已加熱到90~120°C的烘箱中進行水熱反應72~144h，反應結 束后將反應釜取出，并且取出已原位生長了薄膜的FTO導電玻璃，用去離子水沖洗膜表面， 以除去沒有反應的生長液，然后將膜干燥，再將干燥后的膜煅燒，煅燒后即得到ZnO納米片 光陽極膜。 作為本專利技術的進一步優選方案，所述步驟2)中將膜進行干燥溫度為100~120°C。 作為本專利技術的進一步優選方案，所述步驟2)中將膜進行煅燒溫度為250~450°C。 作為本專利技術的進一步優選方案，所述步驟2)中煅燒時升溫速率為8°C /min。 作為本專利技術的進一步優選方案，所述步驟2)中將膜進行煅燒后進行保溫，保溫時 間為30~120min 與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果： (1)本專利技術僅使用六水硝酸鋅和六次甲基四胺作為反應原料，采用低溫水熱合成 法，反應溫度低、工藝過程簡單、設備簡單，成本低； (2)本專利技術制得的光陽極膜由具有多級結構ZnO納米片無序堆疊所形成的膜，這 種ZnO納米片膜同時存在兩種孔隙結構：一種是納米片與納米片之間相互交錯、堆疊形成 的微孔；另一種是密布于納米片上的介孔，微孔有利于電解質在納米片膜中的擴散；介孔 增加了 ZnO納米片膜的比表面積，有利于增加染料吸附量，從而增加電池的短路電流。本發 明ZnO納米片膜這種結構作為DSSC工作電極的優勢在于：a.相對于完全由ZnO納米顆粒 組成的光陽極，在ZnO介孔納米片結構中，光生電子可沿二維納米片直接傳遞，提高了光生 電子的收集效率；b.密布的介孔極大地增加了納米片的比表面積，從而增大了染料吸附量 和光生電流；c.納米片之間微米級的空隙便于電解質滲入。因此，本專利技術雙孔隙結構的ZnO 納米片有利于染料的吸附、電解液的滲透和電子在光陽極/染料/電解質界面的傳輸，從而 獲得較高的光電轉換效率。【附圖說明】 圖1是本專利技術的ZnO納米片膜的結構示意圖； 圖2是本專利技術的ZnO納米片膜的俯視圖； 圖3是本專利技術ZnO納米片膜的場發射掃描電鏡（FESEM)的斷面圖； 圖4是本專利技術ZnO納米片膜的場發射掃描電鏡（FESEM)的表面圖； 圖5是本專利技術組裝成電池后測試的I-V曲線。【具體實施方式】 下面結合具體實施例對本專利技術作進一步描述，在此專利技術的示意性實施例以及說明 用來解釋本專利技術，但并不作為對本專利技術的限定。 實施例一 本實施例一種ZnO納米片染料敏化太陽能電池光陽極膜的制備步驟如下： (1)生長液的配制 用量筒量取140ml的去離子水倒入燒杯中，在磁力攪拌下向燒杯中依次加入 8. 32g六水硝酸鋅和3. 92g六次甲基四胺，在25°C下攪拌，將溶液攪拌均勻即得生長液；六 水硝酸鋅和六次甲基四胺在水溶液中的濃度均為〇. 2M ; (2)多級ZnO納米片膜的制備 將清洗干凈的導電玻璃導電面向下傾斜放入容積為200ml的水熱反應釜中，然后 將140ml生長液倒入水熱反應釜中，水熱反應釜的容積填充率為70%，然后將水熱反應釜 放入已加熱到90°C的烘箱中進行水熱反應。水熱反應時間為144h。水熱反應結束后，將反 應釜取出，待反應釜溫度降至室溫25°C，將膜取出，用去離子水沖洗薄膜。將薄膜在120°C 下烘干，然后在馬弗爐中煅燒，煅燒溫度為350°C，保溫時間為30min，煅燒升溫速率為8°C / min ;從而得到ZnO納米片光陽極膜。 實施例二 本實施例一種ZnO納米片染料敏化太陽能電池光陽極膜的制備步驟如下： (1)生長液的配制 用量筒量取140ml的去離子水倒入燒杯中，在磁力攪拌下向燒杯中依次加入 8. 32g六水硝酸鋅和3. 92g六次甲基四胺，在25°C下攪拌，將溶液攪拌均勻即得生長液；六 水硝酸鋅和六次甲基四當前第1頁1 2 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種原位合成ZnO納米片光陽極膜，包括FTO導電玻璃(1)，其特征在于，還包括位于FTO導電玻璃(1)的導電層上的由ZnO納米片交錯堆疊組成的ZnO納米片層(2)，所述ZnO納米片之間相互交錯、堆疊形成微孔(3)。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：王艷香，孫健，郭平春，李家科，趙學國，
申請(專利權)人：景德鎮陶瓷學院，
類型：發明
國別省市：江西;36