專利名稱：一維CuO納米針/Cu基板材料在染料太陽能電池中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一維CuO納米針/Cu基板材料的合成及其在作染料太陽能電池陰極材料的應(yīng)用，屬納米材料與納米技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
能源短缺與環(huán)境污染是目前人類面臨的兩大問題。隨著世界經(jīng)濟的大發(fā)展，特別是中國經(jīng)濟近20多年來平均每年以7％～8％的速度增長，大大加大了對能源的需求量。然而，煤炭、石油、天然氣等化石染料(或稱初級能源)在地球上的儲藏量有限，不是取之不盡、用之不竭。不僅如此，使用化石染料排放大量CO2、NxO、碳氫化合物及硫化物等污染物，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、酸雨、臭氧層破壞等環(huán)境污染問題，嚴重危害人類身心健康?；谝陨显颍_發(fā)新型清潔能源已引起世界各國的重視。
在人類可以預(yù)測的未來時間內(nèi)，太陽能作為人類取之不盡、用之不竭的潔凈能源，不產(chǎn)生任何的環(huán)境污染，且基本上不受地理條件的限制，因此太陽能利用技術(shù)研究引起了各國科學(xué)家的廣泛重視。由于納米技術(shù)的誘人前景和廣闊的經(jīng)濟和社會效益，將太陽能電池與納米技術(shù)相結(jié)合的開發(fā)應(yīng)用更成為研究的熱點。當(dāng)前，太陽能電池的發(fā)展存在兩個方向和難題一是提高太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)換效率η；二是降低太陽能電池的生產(chǎn)成本，從而有利于太陽能電池在工業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪幸约霸谵r(nóng)村等偏遠地區(qū)的廣泛應(yīng)用和推廣。但是，降低染料太陽能電池的成本與提高光電轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前染料太陽能電池研究的難點和制約其進一步推廣和實用的瓶頸。
目前的研究都是集中在改進太陽能電池的陽極材料上，與陽極材料相對應(yīng)的是Pt/TCO導(dǎo)電玻璃(透明導(dǎo)電光學(xué)玻璃，摻氟氧化錫玻璃，有效透射率大于80％)，因此陰極的成本依然昂貴，在此方面的研究依然很少。本發(fā)明通過在金屬Cu基板上電沉積一層金屬Cu納米晶，在空氣熱氧化制備定向的一維CuO納米針材料，并作為染料太陽能電池的陰極材料，測量其光電轉(zhuǎn)換效率η。該方法工藝簡單，對設(shè)備要求低，重現(xiàn)性好，可控程度高，符合環(huán)境要求，并大大降低了染料太陽能電池的合成成本，有利于染料太陽能電池的進一步應(yīng)用和推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問題是提供一種一維CuO納米針/Cu基板材料及在染料太陽能電池陰極材料的應(yīng)用，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是采用脈沖電沉積技術(shù)在金屬Cu基板表面電沉積一層納米晶Cu薄膜，然后將納米晶Cu薄膜在空氣中于溫度750±50℃下加熱1-2小時，熱氧化制備一維CuO納米針材料。將制得的一維CuO納米針材料/Cu基板作為結(jié)構(gòu)為“ITO導(dǎo)電玻璃/TiO2納米晶/染料/CuO納米針/Cu基板”的染料太陽能電池陰極材料，取代傳統(tǒng)的染料太陽能電池中陰極材料-金屬Pt電極，測量和檢測該染料太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率η。
上述制備電沉積納米晶、一維CuO納米針材料以及染料太陽能電池的工藝特征及參數(shù)范圍是脈沖電沉積參數(shù)為輸出脈沖頻率f為100Hz，占空比r為10％；熱氧化溫度范圍為750±50℃，熱氧化時間1-2小時；染料太陽能電池結(jié)構(gòu)為“ITO導(dǎo)電玻璃/TiO2納米晶/染料/CuO納米針/Cu基板”。
納米晶Cu薄膜在空氣中于溫度750±50℃下加熱1-2小時，熱氧化制備的一維CuO納米針材料，存在大量的陣列排列的針狀產(chǎn)物，其直徑一般為35-45納米，長度超過10微米由于CuO(Φ＝5.3eV)的逸出功與金屬Pt(Φ＝5.65eV)的相近，同時p型CuO材料具有很高的空穴遷移率(0.1cm2V-1S-1)，因此，它可以取代金屬Pt電極用于太陽能電池的陰極材料，并可極大的降低太陽能電池的生產(chǎn)成本，從而有利于太陽能電池的實際應(yīng)用和推廣。
本發(fā)明采用空氣中熱氧化納米晶Cu薄膜制備一維CuO納米針材料，用于染料太陽能電池的陰極材料，工藝簡單，可控程度高，符合環(huán)境要求，成本低廉。


圖1為實施例1在不同溫度下熱氧化納米晶Cu薄膜制得的一維CuO納米針產(chǎn)物的SEM圖。圖中(a)700℃；(b)800℃；(c)900℃；(d)1000℃。
圖2為實施例1中在700℃下熱氧化納米晶Cu薄膜合成的一維CuO納米針材料的SEM圖。(a)為低倍SEM圖，(b)為高倍SEM3為實施例1中在700℃下合成的一維CuO納米針作為染料太陽能電池陰極材料的光電轉(zhuǎn)換效率I-V曲線。
具體實施例方式
實施例1(1)采用脈沖電沉積技術(shù)，采取輸出脈沖頻率f為100Hz、占空比r為10％的脈沖電沉積參數(shù)，在金屬Cu基板表面電沉積一層納米晶Cu薄膜；(2)將納米晶Cu薄膜在空氣中不同的加熱溫度(700℃、800℃、900℃、1000℃)下加熱1-2小時，熱氧化制備一維CuO納米針，掃描電鏡(SEM)實驗結(jié)果如附圖1所示(圖中(a)700℃；(b)800℃；(c)900℃；(d)1000℃)；(3)將加熱溫度為700℃下制備的一維CuO納米針材料/Cu基板作為染料太陽能電池的陰極材料(陰極材料的SEM實驗結(jié)果如附圖2所示)，TiO2納米晶材料作為陽極材料，并經(jīng)過聯(lián)吡啶釕染料(N3，(Bu4N)2Ru(dcbpyH)2(NCS)2)的無水乙醇溶液敏化處理，采用液體電解液(LiI，I2，溶解在3-甲氧基丙腈(MePN，3-methoxypropionitrile)的四叔丁基吡啶(4-erbutylpridine))，組裝成結(jié)構(gòu)為“ITO導(dǎo)電玻璃/TiO2納米晶/染料/CuO納米針/Cu基板”的染料太陽能電池；(4)在一劑量的模擬太陽光下(100毫瓦/厘米2)，采用光度計測量和檢測該結(jié)構(gòu)的染料太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率η(I-V關(guān)系)，光電轉(zhuǎn)換效率I-V曲線見附圖3。
按以上實驗參數(shù)參照實施例1的方法即可實現(xiàn)熱氧化納米晶Cu薄膜制備一維CuO納米針材料及其在染料太陽能電池陰極材料的應(yīng)用。
實施例1圖1說明合成產(chǎn)物的SEM圖表明在700℃、800℃下，可以制備出大量的、整齊排列的氧化銅納米針陣列；隨著溫度升高，納米針的密度越來越低，同時伴隨著大量的熔融堆積產(chǎn)生的團簇狀顆粒。
圖2圖2(a)為低倍SEM圖，圖2(b)為高倍SEM圖，這表明合成產(chǎn)物存在大量的陣列排列的針狀產(chǎn)物，其直徑一般為35-45納米，長度超過10微米。
圖3I-V曲線表明一維CuO納米針作為染料太陽能電池陰極材料的光電轉(zhuǎn)換效率為1.12％，填充因子為0.37。
權(quán)利要求
1.一種染料太陽能電池陰極材料，其特征在于該陰極材料為一維CuO納米針/Cu基板結(jié)構(gòu)材料，它由如下方法步驟制得(1)采用脈沖電沉積技術(shù)在金屬Cu基板表面電沉積一層納米晶Cu薄膜；(2)將納米晶Cu薄膜在空氣中750±50℃加熱1-2小時，熱氧化制備一維CuO納米針；(3)制備的一維CuO納米針/Cu基板結(jié)構(gòu)材料，作為染料太陽能電池陰極材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的染料太陽能電池陰極材料，其特征在于制備該染料太陽能電池陰極材料時的脈沖電沉積參數(shù)為輸出脈沖頻率f為100Hz，占空比r為10％。
3.權(quán)利要求1所述的染料太陽能電池陰極材料的應(yīng)用的方法，其特征在于將加熱溫度為750±50℃時制備的一維CuO納米針/Cu基板結(jié)構(gòu)作為“TCO導(dǎo)電玻璃/TiO2納米晶/染料/CuO納米針/Cu基板”的染料太陽能電池陰極材料，并測量和檢測該結(jié)構(gòu)的染料太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率η。
全文摘要
本發(fā)明提供了一維CuO納米針/Cu基板材料及在染料太陽能電池中的應(yīng)用方法。該材料是采用脈沖電沉積技術(shù)，在金屬Cu基板電沉積一層納米晶Cu薄膜，然后將該薄膜置于加熱爐中，在空氣溫度750±50℃范圍內(nèi)熱氧化1－2小時，制備一維CuO納米針材料。將制備的一維CuO納米針/Cu基板材料作為“TCO導(dǎo)電玻璃/TiO
文檔編號H01L31/18GK101030606SQ20071005125
公開日2007年9月5日 申請日期2007年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者劉曰利, 陳文 , 潘春旭, 廖蕾, 周靜 申請人:武漢理工大學(xué)