[发明专利]一维氧化锌-二氧化钛核壳结构复合纳米线阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种核壳结构复合纳米线阵列的制备方法，具体一种应用于染料/量子点敏化太阳能电池光阳极的一维氧化锌-二氧化钛核壳结构复合纳米线阵列的制备方法。

背景技术

太阳能电池可以直接将太阳能电池转换成电能，被认为是一种最有效利用太阳能的方式，因此一直以来收到世界各国高度重视。目前已经实际应用的太阳能电池主要是硅基太阳能电池，它具有较高的效率和较好的稳定性，但是其高昂的制造成本限制了它们的大规模应用。因此研究人员除了一方面进行低成本、高效率硅基太阳能电池商业化技术改进之外，更加积极探索新型太阳能电池。在众多的太阳能电池中，染料/量子点敏化太阳能电池由于其潜在的低成本，较高效率而收到广泛重视。

为了提高敏化太阳能电池，许多许多不同种类、不同形貌和结构的半导体纳米结构被用来制备敏化太阳能电池的光阳极，包括纳米颗粒膜、纳米花、分级纳米球、一维纳米线、纳米杆、纳米管阵列等纳米结构。在这些纳米结构中，一维氧化锌纳米阵列尤为引人注目，因为他们具有如下几个特点：（1）可以为光生载流子提供直接快速的传输通道，从而有利于减少光生载流子的复合，促进其快速被外电极收集；（2）由于纳米阵列的强烈光散射和俘获作用，可以降低光阳极对光的反射，增加对太阳光的吸收。此外，一维氧化锌纳米线阵列可以非常方便地通过湿化学法进行大面积制备，有利于降低制造成本。目前基于氧化锌纳米线阵列和多硫电解液的量子点敏化太阳能电池尽管具有较高短路电流，但是其开路电压和填充因子都很低，从而限制了其整体效率的提高。至于基于一维氧化锌纳米线阵列的染料敏化太阳能电池，相对于基于二氧化钛材料的电池，其整体效率还很低，造成这种现象的原因之一是染料会在氧化锌纳米线表面形成Zn2+/染料复合层，阻碍了光生电子从染料向氧化锌的注入。已有的研究结果表明，通过在氧化锌纳米线上覆盖一薄层二氧化钛，可以保护氧化锌纳米线，使之不不染料反应形成Zn2+/染料阻挡层，并且可以显著提高开路电压和填充因子，从而提高电池效率。这种结构同样有望提高给予氧化锌纳米阵列的量子点敏化太阳能电池的效率。目前用于在氧化锌纳米线上制备二氧化钛保护层的方法主要有化学气象沉积法，原子层沉积法和磁控溅射法。前两种方法尽管可以精确地控制二氧化钛层的厚度，得到厚度均一，形貌可控的氧化锌-二氧化钛核壳结构复合阵列，但是其制备过程需要高温和特殊设备，制造成本很高，不利于大面积推广。而磁控溅射法不但需要昂贵的设备和真空环境，而且无法通过简单方法得到厚度均一的二氧化钛壳层，所制备的复合纳米线结构顶端二氧化钛总是远厚于纳米线侧壁的二氧化钛。因此，开发简单易行，不需要复杂设备和环境的低成本制备方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本湿化学法制备一维氧化锌-二氧化钛核壳结构复合纳米线阵列的方法。

为达到上述目的，本发明采用的制备方法为：

1）首先，将单乙醇胺溶于20毫升乙二醇甲醚中，然后再加入0.001～0.016摩尔的二水合乙酸锌，使单乙醇胺与锌离子的物质的量之比为1∶1；然后将混合物密封并置于58～62℃的水浴锅磁力搅拌均匀得到氧化锌溶胶，将氧化锌溶胶取出后至于室温下静置12～18小时待用，利用旋转涂层工艺在3000转/分钟将上述静置后的氧化锌溶胶沉积在洁净导电玻璃上，然后立即将其放在195～205℃的烘箱中处理5～10分钟，再将基片置于450～500℃的马弗炉中处理0.5～1小时，得到氧化锌籽晶层；

2）其次，将2.5～5毫摩尔的六水合硝酸锌，2.5～5毫摩尔的六亚甲基四胺和0～0.8毫摩尔分子量为1800的聚乙烯亚胺溶于100毫升的去离子水中，混合均匀得到生长液，将已制备的覆盖有籽晶层的基片浸入生长液，将体系密封后，置于95℃的烘箱中液相生长，然后将基片取出，用去离子水冲洗干净、吹干，得到氧化锌纳米线阵列；

3）然后，将25毫摩尔的钛酸四丁酯溶于39毫升的无水乙醇中，再加入25毫摩尔的乙酰丙酮，将混合液密封在室温下磁力搅拌得二氧化钛溶胶；

4）最后，将已制备的氧化锌纳米线阵列依次浸入二氧化钛溶胶、无水乙醇和去离子水中各40～50秒，然后用无水乙醇冲洗基片，除去表面粘附的水，以上过程定义为一个吸附循环反应，进行若干次吸附循环反应后，将基片吹干，然后置于500～550℃的马弗炉中退火1～2小时，得到一维氧化锌-二氧化钛核壳结构的复合纳米线阵列。

所述步骤2）覆盖有籽晶层的基片浸入生长液的角度为45～60度角，且籽晶层面向下。

所述步骤2）通过控制聚乙烯亚胺的浓度和生长时间控制纳米线的直径和长度。