[发明专利]染料敏化太阳能电池光阳极用氧化锌复合纳米结构及制法

说明书

 

技术领域

本发明属于纳米能源材料领域，涉及ZnO纳米结构制备技术，具体涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极用ZnO复合纳米结构及其制备方法。

 

背景技术

ZnO是一种宽禁带的II-VI族半导体材料，其带宽为3.37 eV，室温下的激子束缚能高达60 meV，具有优良的化学性质和热稳定性及良好的发光、光电转换等性能，使其在光电子、尤其是在染料敏化太阳能电池中具有潜在的应用。作为染料敏化太阳能电池光阳极材料，一维的ZnO纳米线或纳米棒阵列以及二维的ZnO纳米片阵列已得到广泛研究。尽管这类阵列结构的光阳极具有快速的电子直线传输通道，能有效避免电子的复合损耗，但另一方面，这类单一的纳米结构形态使得光阳极比表面积难以得到有效提高，限制了染料的装载量，因而电池的光电转换效率较低。

近年来，ZnO复合纳米结构光阳极已开始受到重视。例如，Ku等[Nanotechnology， 18 (2009) 505706]和Yodyingyong等[Appl. Phys. Lett., 96 (2010) 073115]相继开发出ZnO纳米棒阵列/纳米颗粒复合结构光阳极；Cheng等[J. Phys. Chem. C, 112 (2008) 16359]也成功制备出ZnO纳米棒阵列/纳米线复合结构光阳极。与单一结构的纳米棒阵列光阳极相比，以纳米棒阵列为基础的复合结构光阳极在电池测试中表现出更高的光电性能。在以ZnO纳米片阵列为基础的复合结构光阳极研究中，申请人所在的课题组已经开发了一种纳米片阵列/纳米线复合结构光阳极[J. Phys. Chem. C, 114 (2010) 2776]。已有的复合纳米结构光阳极大多基于两方面考虑，既保留纳米阵列结构的电子直线传输通道，又尽可能提高光阳极的比表面积。然而，迄今为止，还未有报道考虑到复合结构中的光散射效应对电池效率的改善作用。为此，开发具有电子直线传输通道、高比表面积、高光散射效应的ZnO复合纳米结构光阳极对提高电池的光电效率具有重要的意义。

 

发明内容

发明目的：本发明的目的就是针对上述ZnO复合纳米结构光阳极现有研究的不足，提供一种具有电子直线传输通道、高比表面积、高光散射效应的ZnO复合纳米结构光阳极及其制备方法。该复合纳米结构光阳极由ZnO纳米片阵列和ZnO介孔微球构成，所述ZnO纳米片直接生长在导电基底上，ZnO介孔微球牢固地附着在纳米片的表面。其中，纳米片阵列提供电子直线传输通道，介孔微球具有高的表面积和显著的光散射增强效应。

技术方案：本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：首先以硝酸锌和氯化钾水溶液为电解液，采用标准三电极体系直接在导电玻璃上电沉积生长ZnO纳米片阵列；然后配制醋酸锌的一缩乙二醇溶液进行溶剂热反应，合成ZnO介孔微球；最后采用旋涂工艺将乙醇分散的ZnO介孔微球转移到ZnO纳米片表面，并进行高温煅烧以增加两者的结合强度。具体制备步骤如下：

(1) 配制Zn²⁺浓度为0.03~0.1 mol/L、Cl^-1浓度为0.06~0.2 mol/L的硝酸锌和氯化钾的混合水溶液，所得溶液记为A；

(2) 以上述制备的A溶液充当电解液，采用标准三电极电化学体系在导电玻璃上恒电位沉积ZnO纳米片阵列，所用沉积电位是?0.8~?1.3 V，电解液温度为60~80 ℃，沉积时间为0.1~2 h；

(3) 将Zn(Ac)₂·2H₂O溶于一缩乙二醇，配制成浓度为0.05~0.5 mol/L的溶液，所得溶液记为B；

(4) 将混合溶液B加热到150~180 ℃进行溶剂热合成，冷凝回流4~24小时后，离心分离产物并用乙醇反复洗涤，最后烘干成为ZnO介孔微球白色粉末；

(5) 将ZnO介孔微球白色粉末用乙醇分散，旋涂到ZnO纳米片阵列薄膜表面，获得ZnO纳米片阵列和ZnO介孔微球构成的复合结构；

(6) 将步骤(5)中制备的ZnO复合纳米结构薄膜在300~600℃下保温0.5~2 h，以增加复合结构的稳定性。

所述步骤(1)中混合溶液A的Zn²⁺和Cl^-1摩尔浓度比为1:2。

所述步骤(2)中标准三电极电化学沉积体系的工作电极为导电玻璃，对电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极，其中导电玻璃优先选用FTO导电玻璃。