專利名稱：納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及新能源的開 發(fā)與利用研究領(lǐng)域，具體涉及一種納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著能源危機與環(huán)境惡化問題的日益加重，開發(fā)和利用一種新能源迫在眉睫。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的綠色環(huán)保能源，受到人類的廣泛關(guān)注；而太陽能電池作為可以直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，更是受到各國研究者的極力追捧。當前太陽能電池的主流產(chǎn)品是硅基太陽能電池，而硅原料的短缺和昂貴價格在很大程度上限制了太陽能電池的普遍應用。染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized solar cell，簡稱DSSC)是一種新型光電器件，它具有豐富的資源、穩(wěn)定的性能、簡單的生產(chǎn)工藝和低廉的價格等優(yōu)勢， 是一種具有競爭力的商業(yè)化產(chǎn)品。染料敏化太陽能電池由光陽極、光敏染料、電解質(zhì)和對電極四部分組成，其中光陽極是DSSC電池的核心部件，其結(jié)構(gòu)和組成強烈影響著電池的光電性能。傳統(tǒng)的DSSC的光陽極普遍采用TiO2納米晶多孔膜組成，此電極結(jié)構(gòu)為電池提供了大的比表面積，有利于染料的吸附，但是此電極同時存在大量晶界和表面態(tài)，抑制了電子的傳輸、并加快了電子的反向復合，制約了電池效率的提高。ZnO的載流子遷移率比TiO2高將近10倍，將ZnO納米線陣列引入到DSSC的光陽極中，可以為電子傳輸提供直接的途徑，有利于減小電池內(nèi)阻，降低電荷復合并提高電池的光電轉(zhuǎn)換效率。而目前報道的ZnO基染料敏化太陽能電池效率都很不理想，主要原因是此類電極的比表面積較小，吸附的染料有限，抑制了電池效率的提高。本發(fā)明在TiO2納米晶多孔膜表面生長ZnO納米線陣列，可將兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點結(jié)合起來，從而有效提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，該復合電極在為電池提供大比表面積的同時加快了電子的傳輸、減少了電子的反向復合，改善了染料敏化太陽能電池的光電性能。本發(fā)明提供一種納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1:取一導電基片；步驟2 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在導電基片的表面印刷TiO2漿料；步驟3 加熱，使TiO2漿料中的有機溶劑揮發(fā)，得到TiO2納米晶多孔膜，有利于染料的吸附；步驟4 在TiO2納米晶多孔膜上沉積ZnO晶種層3，有利于ZnO納米線的外延生長；步驟5 采用水熱化學反應法，在ZnO晶種層上外延生長ZnO納米線陣列，有利于光生電子的直線傳輸并加快電荷分離，完成ZnO納米線陣列4和TiO2納米晶多孔膜納米復合光陽極的制備。其中在導電基片上絲網(wǎng)印刷TiO2漿料的次數(shù)為1-5次，TiO2漿料每印刷一次，在溫度為120°C時干燥5分鐘。其中對TiO2漿料層進行加熱時，是采取分步升溫的方式，從室溫至150°C，升溫速度為1_3°C /min，之后以5°C /min升溫至500°C，在500°C時保持20-40分鐘。

其中在TiO2納米晶多孔膜的表面沉積ZnO晶種層時，采用的方法是磁控濺射、蒸鍍或溶膠-凝膠的方法。其中ZnO晶種層的厚度為200-300nm。其中外延生長ZnO納米線陣列時，采用的方法是水熱化學反應法，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為50mM-100mM，該水熱反應溶液的pH 值為9. 8-10. 3，反應溫度為90-120°C，反應時間為5-12小時。其中導電基片是導電玻璃或?qū)щ娝芰?。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其是在TiO2納米晶多孔膜的表面生長ZnO納米線陣列，促進了電荷分離，加快了電子傳輸并減少了電子反向復合，同時為DSSC提供了大比表面積，保障電極具有較高的光捕獲效率，可以大幅度提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。


為使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明，其中圖1是ZnO納米線陣列和TiO2納米晶多孔膜復合光陽極的示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1 取一導電基片1，該導電基片1是導電玻璃或?qū)щ娝芰?，首先對導電基? 進行充分的清洗，將其分別在丙酮、乙醇和去離子水中超聲20分鐘，并用氮氣吹干，待用；步驟2 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在導電基片1的表面印刷TiO2漿料，其中TiO2漿料的有效成分是P25 ( 一種銳鈦礦與金紅石相TiO2納米顆粒的混合物，銳鈦礦與金紅石相TiO2 的質(zhì)量比為2 1)或純銳鈦礦相TiO2納米顆粒，納米顆粒采用水熱法或溶膠-凝膠法制備，TiO2納米顆粒的平均粒徑是25-50nm，Ti02漿料的溶劑為松油醇等有機物質(zhì)。在進行絲網(wǎng)印刷時，首先用乙醇對印刷板和刮板進行清洗，然后對其用吹風機吹干，最后調(diào)節(jié)好絲網(wǎng)印刷板上網(wǎng)眼與導電基片1的位置。所述的絲網(wǎng)印刷TiO2漿料的次數(shù)為1-5次，TiO2漿料每印刷一次，在溫度為120°C的烘箱中干燥5分鐘，防止多次印刷時已經(jīng)印刷好的TiO2漿料層與絲網(wǎng)印刷板粘連；步驟3 加熱，使TiO2漿料中的有機溶劑揮發(fā)，得到Ti02納米晶多孔膜2，所述的對 TiO2漿料層進行加熱時，是采取分步升溫的方式，從室溫至150°C，升溫速度為l-3°c /min,開始加熱時較慢的升溫速率有利于預防TiO2納米晶多孔膜2的表面由于熱應力和表面張力的作用導致的破裂，之后以5°C /min升溫至500°C，在500°C時保持20-40分鐘，在500°C 時加熱20-40分鐘是為了充分揮發(fā)掉TiO2漿料中的有機物質(zhì)，使TiO2納米顆粒之間的空間變成介孔，得到TiO2納米晶多孔膜2。步驟4 在TiO2納米晶多孔膜2上沉積ZnO晶種層3，所述的在TiO2納米晶多孔膜 2上沉積ZnO晶種層3是采用磁控濺射、蒸鍍或溶膠_凝膠的方法，該ZnO晶種層3的厚度為200-300nm，該ZnO晶 種層3的作用是降低納米晶多孔膜2與ZnO納米線之間的晶格失配，有利于ZnO納米線在ZnO晶種層3的表面外延取向生長；步驟5 采用水熱化學反應法在ZnO晶種層3上外延生長ZnO納米線陣列4，其中外延生長ZnO納米線陣列4時，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為50mM-100mM，通過在該硝酸鋅或醋酸鋅溶液中加入氨水、碳酸氫銨、氫氧化鈉或六亞甲基四胺等堿性物質(zhì)，使水熱反應溶液的PH值為9. 8-10. 3，將配好的溶液放入帶聚四氟乙烯內(nèi)襯的高壓反應釜中，把ZnO晶種層3保持面朝下傾斜放置在反應釜中，封釜，采用的水熱反應溫度為90-120°C，反應時間為5-12小時，反應結(jié)束后，將高壓釜自然冷卻至室溫， 取出沉積ZnO晶種層3的導電基片1，先用去離子水反復沖洗ZnO晶種層3的表面，然后將該水熱反應后的ZnO晶種層3在80°C恒溫干燥箱中干燥12小時，得到ZnO納米線陣列4。 該ZnO納米線陣列4為光生電子提供了直線傳輸?shù)耐緩剑瑴p少了光生電子的傳輸時間和路徑，加快了電荷分離，并降低了光生電子反向復合的幾率。通過改變水熱反應的條件如反應時間、反應溫度、水熱反應溶液的濃度和PH值， 可控制ZnO納米線的直徑和長度；TiO2納米晶多孔薄膜2的厚度可以通過調(diào)節(jié)印刷漿料的用量、印刷力度和印刷次數(shù)控制，通過對這兩方面的控制可實現(xiàn)ZnO納米線陣列4和TiO2納米晶多孔薄膜2復合光陽極的可控制備。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1:取一導電基片；步驟2 采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在導電基片的表面印刷TiO2漿料；步驟3 加熱，使TiO2漿料中的有機溶劑揮發(fā)，得到TiO2納米晶多孔膜，有利于染料的吸附；步驟4 在TiO2納米晶多孔膜上沉積ZnO晶種層3，有利于ZnO納米線的外延生長；步驟5 采用水熱化學反應法，在ZnO晶種層上外延生長ZnO納米線陣列，有利于光生電子的直線傳輸并加快電荷分離，完成ZnO納米線陣列4和TiO2納米晶多孔膜納米復合光陽極的制備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其中在導電基片上絲網(wǎng)印刷TiO2漿料的次數(shù)為1-5次，TiO2漿料每印刷一次，在溫度為120°C 時干燥5分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其中對TiO2漿料層進行加熱時，是采取分步升溫的方式，從室溫至150°C，升溫速度為l-3°c / min，之后以5°C /min升溫至500°C，在500°C時保持20-40分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其中在TiO2納米晶多孔膜的表面沉積ZnO晶種層時，采用的方法是磁控濺射、蒸鍍或溶膠_凝膠的方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其中ZnO晶種層的厚度為200-300nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法， 其中外延生長ZnO納米線陣列時，采用的方法是水熱化學反應法，采用的鋅源為硝酸鋅或醋酸鋅溶液，該硝酸鋅或醋酸鋅溶液的濃度為50mM-100mM，該水熱反應溶液的pH值為 9. 8-10. 3，反應溫度為90-120°C，反應時間為5-12小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，其中導電基片是導電玻璃或?qū)щ娝芰稀?br> 全文摘要
一種納米線陣列/納米晶多孔膜復合結(jié)構(gòu)光陽極的制備方法，包括以下幾個步驟步驟1取一導電基片；步驟2采用絲網(wǎng)印刷技術(shù)，在導電基片的表面印刷TiO2漿料；步驟3加熱，使TiO2漿料中的有機溶劑揮發(fā)，得到TiO2納米晶多孔膜，有利于染料的吸附；步驟4在TiO2納米晶多孔膜上沉積ZnO晶種層3，有利于ZnO納米線的外延生長；步驟5采用水熱化學反應法，在ZnO晶種層上外延生長ZnO納米線陣列，有利于光生電子的直線傳輸并加快電荷分離，完成ZnO納米線陣列4和TiO2納米晶多孔膜納米復合光陽極的制備。
文檔編號H01M14/00GK102222572SQ20111006772
公開日2011年10月19日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者李京波, 王巖, 王美麗 申請人:中國科學院半導體研究所