[发明专利]染料敏化太阳能电池用ZnO/石墨烯复合纳米结构光阳极及制法

说明书

 

技术领域

本发明属于纳米能源材料领域，涉及纳米新材料石墨烯及其复合材料薄膜的制备，具体涉及一种染料敏化太阳能电池用ZnO/石墨烯复合纳米结构光阳极及其制备方法。

 

背景技术

近年来，以ZnO为光阳极材料的染料敏化太阳能电池日益受到重视。ZnO具有丰富的纳米结构形态，成为TiO₂光阳极材料的替代者之一。迄今为止，ZnO纳米颗粒、一维的ZnO纳米线/棒阵列和二维的ZnO纳米片阵列已得到广泛研究。ZnO纳米颗粒光阳极表面积大，但电子复合损耗严重；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，但这类单一的纳米结构形态具有光阳极表面积低的缺点，限制了染料的装载量，因而电池的光电转换效率较低。近来，ZnO复合纳米结构光阳极已开始受到重视。例如，ZnO纳米棒阵列/纳米颗粒、ZnO纳米棒阵列/纳米线、ZnO纳米片阵列/纳米线等复合结构光阳极相继被开发出来，目的在于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。尽管如此，人们认为，如果能有效解决ZnO纳米颗粒光阳极的内部电子复合损耗难题，那么该类光阳极无论在制备成本、规模化生产，还是在电池光电转换效率方面都将具有绝对的优势。

为此，研究者尝试将电荷传输载体引入到ZnO纳米颗粒的光阳极中，以便更好地收集和输运电子，尽可能降低电子的复合损耗。例如，Chang等[Nanoscale Research Letters, 7 (2012) 166]将碳纳米管引入到ZnO纳米颗粒薄膜中，形成的ZnO/碳纳米管复合纳米结构光阳极，显著提升了电池的光电转换效率。然而，一维的碳纳米管表面积较低，吸附ZnO纳米颗粒的能力有限。为此，以SP²杂化连接的单层碳原子构成的二维晶体材料被尝试应用到TiO₂光阳极中[ACS Nano, 4 (2010) 887]，形成更多的电子收集和输运通道，有效降低了电子复合损耗和提高了电池效率。然而，由于复杂的光阳极制备工艺，迄今为止石墨烯还没有被引入到ZnO纳米结构的光阳极中。

 

发明内容

发明目的：本发明的目的就是针对上述ZnO光阳极领域的研究空白，提供一种染料敏化太阳能电池用ZnO/石墨烯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石墨烯和ZnO纳米颗粒构成，所述石墨烯分散在ZnO纳米颗粒光阳极薄膜中，能有效降低电极内阻，抑制电子复合损耗，提升电池光电转换性能。

技术方案：一种染料敏化太阳能电池用ZnO/石墨烯复合纳米结构光阳极，由ZnO纳米颗粒和电子传输性能优越的石墨烯组成ZnO/石墨烯复合纳米结构，再采用丝网印刷工艺制备在导电基底上得到光阳极。

即，首先利用Hummers法制备得到氧化石墨烯和采用溶剂热法合成ZnO纳米颗粒粉体；然后将氧化石墨烯和ZnO纳米颗粒粉体添加到聚乙烯醇的乙醇水溶液中形成混合物浆料；紧接着采用丝网印刷工艺在导电基底上制备ZnO/氧化石墨烯的复合薄膜；最后采用肼蒸汽化学还原和惰性气体保护下的高温退火等工序将复合薄膜中的氧化石墨烯还原成石墨烯，同时去除聚乙烯醇杂质，形成ZnO/石墨烯复合结构的光阳极。

具体来说，制备步骤为:

(1) 利用Hummers法制得氧化石墨，用去离子水洗涤并在10000~20000r/min的转速下离心分离，经洗涤和离心分离后得到纯净的氧化石墨，将其超声分散于去离子水或乙醇中得到氧化石墨烯溶液；

(2) 将ZnAc₂·2H₂O溶于一缩乙二醇，配制成浓度为0.05~0.5 mol/L的溶液，加热到150~200℃后冷凝回流4~24小时进行溶剂热反应，然后将产物离心分离并用乙醇反复洗涤，最后烘干成为白色ZnO纳米颗粒粉体；

(3) 将聚乙烯醇溶解于70~100℃的热水，再用体积比1:1配制的乙醇水溶液将其进一步稀释，得到聚乙烯醇的粘稠状液体；

(4) 在上述粘稠状液体中添加ZnO纳米颗粒白色粉体和氧化石墨烯溶液，充分搅拌均匀，得到ZnO/氧化石墨烯的混合物浆料，其中ZnO纳米颗粒的浓度为0.001mol/mL；

(5) 采用丝网印刷工艺将上述ZnO/氧化石墨烯复合物浆料转移到导电基底上形成不同厚度的薄膜，并在50~120℃的烘箱中烘干；