專利名稱：采用脈沖電磁場(chǎng)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及ー種采用脈沖電磁場(chǎng)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法。
背景技術(shù)：
染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是ー種新型的太陽(yáng)能電池，具有價(jià)格低廉、制作エ藝簡(jiǎn)單和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新一代太陽(yáng)電池的主導(dǎo)。根據(jù)直線傳輸理論，電子在垂直于導(dǎo)電基底的單晶陣列結(jié)構(gòu)中傳輸具有極高的傳輸速 率和最低損耗，能夠減少電子傳輸時(shí)間，有利于提高電池轉(zhuǎn)化效率。因此，高垂直度ー維ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列作為光陽(yáng)極材料是太陽(yáng)能染料敏化電池的主要研究方向。目前，合成ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列的方法主要有熱蒸發(fā)法、碳熱還原法、脈沖激光沉積法和水熱法等。熱蒸發(fā)法主要采用ZnO作為原料，直接加熱蒸發(fā)到襯底上形成納米結(jié)構(gòu)陣列，該方法一般需要較高的溫度，合成能耗較大。碳熱還原法也屬于熱蒸發(fā)法的ー種，該方法雖然降低了合成溫度，但是在合成過(guò)程中常引入雜質(zhì)碳，對(duì)納米結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能影響較大。脈沖激光沉積法所需設(shè)備昂貴，不適合生產(chǎn)大面積ZnO納米結(jié)構(gòu)陣列。水熱法由于反應(yīng)在水溶液中進(jìn)行，反應(yīng)溫度較低，設(shè)備簡(jiǎn)単，便于自動(dòng)化生產(chǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)而備受重視，但是該方法所得產(chǎn)物陣列垂直度低，排列不整齊等問(wèn)題。ー維ZnO納米結(jié)構(gòu)的形貌較多，而目前最多的是納米棒陣列，但納米棒的生長(zhǎng)長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度與直徑的比值)和密度具有一定的限制，因此ZnO納米棒陣列作為光陽(yáng)極不利于染料的吸附，影響光電轉(zhuǎn)換效率。ZnO納米片陣列由于片結(jié)構(gòu)的厚度更薄，具有更大的比表面積，有利于染料的吸附，有利于提高光電轉(zhuǎn)換效率。然而，對(duì)于ZnO納米片結(jié)構(gòu)的形貌難控制，存在有序度較低，高度/厚度比值較小等問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供ー種采用脈沖電磁場(chǎng)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，該方法操作簡(jiǎn)單、能耗低，所得納米片陣列垂直度好、排列整齊、電學(xué)性能好。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
采用脈沖電磁場(chǎng)技術(shù)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，其特殊之處是
1、將FTO導(dǎo)電玻璃片放入溫度為75 85°C的超聲波清洗器中清洗Γ6π η后，取出用去離子水漂洗，在真空干燥箱中干燥4 6h ；
2、用こニ醇甲醚作為溶劑將こ酸鋅、こ醇胺配制混合溶液I，其中，こ酸鋅與こ醇胺、こニ醇甲醚的體積比分別為I Γ1 1. 5、1 :7. 5 I 8 ；
3、將配制的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上并涂覆均勻進(jìn)行鍍膜，所述的混合溶液滴加量與導(dǎo)電玻璃片面積的關(guān)系為O. 25 lml/100mm2，將涂覆有混合溶液的FTO導(dǎo)電玻璃片置于管式加熱爐中，加熱到30(T340°C，保溫15 20min，冷卻至室溫；
4、重復(fù)第三步3飛次，在FTO導(dǎo)電玻璃片上即得到ZnO薄膜；5、將硝酸鋁、硝酸鋅和六次甲基四肢加入去離子水中配制濃度為O.04、. 05mol/L的混合溶液II，其中，硝酸鋁與硝酸鋅、六次甲基四肢的摩爾比分別為I :32 I 99,1 33 I : 100，將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃片放入反應(yīng)釜內(nèi)，將配制的混合溶液II注入反應(yīng)釜中，注入量為反應(yīng)釜容積的60% 70% ；
6、用脈沖電磁場(chǎng)裝置對(duì)反應(yīng)爸中的反應(yīng)體系施加脈沖電磁場(chǎng)處理，脈沖時(shí)間為Γ3πι η,脈沖電壓為60(T700V，脈沖頻率為6 9Ηζ，處理后將反應(yīng)釜移入恒溫箱進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，溫度為95 100で，時(shí)間為5飛h，降溫至室溫后取出FTO導(dǎo)電玻璃片，用去離子水沖洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒溫干燥箱中8(T90°C保溫3-5h，即得Al摻雜ZnO納米片陣列。
所述硝酸鋁與硝酸鋅、六次甲基四肢的摩爾比分別為I :32 I :49、1 :33 I :50。混合溶液II注入反應(yīng)釜時(shí)，用玻璃棒引流。所述反應(yīng)釜內(nèi)膽材料為聚四氟こ烯，外膽材料為不銹鋼，電磁線圈纏繞在反應(yīng)釜內(nèi)膽上，使脈沖電磁場(chǎng)對(duì)的混合溶液II作用效果更強(qiáng)。脈沖電磁場(chǎng)處理時(shí)，脈沖時(shí)間為2min，脈沖電壓為650V，脈沖頻率為7Hz。本發(fā)明基于脈沖電磁場(chǎng)具有的間歇式、能量密度高的特點(diǎn)以及外場(chǎng)和原子團(tuán)簇之間的交互作用，采用脈沖電磁場(chǎng)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、在ZnO中摻Al金屬離子，Al作為施主摻雜元素不僅可以降低ZnO的電阻，增加電子傳輸能力，同時(shí)可以減小ZnO的禁帶寬度，増加太陽(yáng)光的吸收；
2、Al摻雜ZnO納米片的取向一致，垂直度較高，納米片排列整齊，比表面積大，作為光陽(yáng)極時(shí)，有利于電子傳輸，從而提高染料敏化太陽(yáng)能電池效率；
3、不需要加入表面活性剤，避免了產(chǎn)物和添加劑難以分離的問(wèn)題，同時(shí)不會(huì)將雜質(zhì)帶入反應(yīng)體系，產(chǎn)品質(zhì)量不會(huì)受到影響；
4、操作簡(jiǎn)單，能耗低，運(yùn)行費(fèi)用低，設(shè)備占地面積小，エ藝參數(shù)易調(diào)節(jié)，對(duì)其所處理的對(duì)象以及周圍環(huán)境沒(méi)有污染，是ー種比較清潔環(huán)保的處理方法。


圖I是本發(fā)明的エ藝流程 圖2是施加脈沖電磁場(chǎng)裝置示意 圖3是施加脈沖電磁場(chǎng)條件下制備的Al摻雜ZnO納米片陣列的SHM平面 圖4是施加脈沖電磁場(chǎng)條件下制備的Al摻雜ZnO納米片陣列的SHM側(cè)視 圖5是未施加脈沖電磁場(chǎng)條件下制備的Al摻雜ZnO納米片陣列的SEM平面圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
如圖I所示，制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法如下
1、將FTO導(dǎo)電玻璃片(尺寸為20X20X3mm)放入溫度為80°C的超聲波清洗器中清洗5min后，取出用去離子水漂洗，在真空干燥箱中干燥5h ；
2、以こニ醇甲醚作為溶劑，用2mlこ酸鋅、2mlこ醇胺和15mlこニ醇甲醚配制混合溶液I;
3、取3ml配制的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上，用勻膠機(jī)涂覆均勻該溶液后，將涂覆有混合溶液的FTO導(dǎo)電玻璃片置于管式加熱爐中熱處理，加熱到320°C，保溫18min，冷卻至室溫；
4、重復(fù)第三步4次，在FTO導(dǎo)電玻璃片上即得到一層致密、均勻的ZnO薄膜；
5、將O.Olmol硝酸招、O. 99mol硝酸鋅和Imol六次甲基四胺加入45L去離子水中配制混合溶液II，將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃片(作為基片)放入反應(yīng)釜內(nèi)，所述反應(yīng)釜內(nèi)膽材料為聚四氟こ烯、外膽材料為不銹鋼，用玻璃 棒引流方式緩慢的將配制的混合溶液II注入反應(yīng)釜中，注入量為反應(yīng)釜容積的60%，旋緊反應(yīng)釜的蓋子；
6、如圖2所示，用脈沖電磁場(chǎng)裝置(本實(shí)施例中采用電脈沖發(fā)生器，電磁線圈纏繞在反應(yīng)釜內(nèi)膽上)在650V脈沖電壓、7Hz脈沖頻率下對(duì)反應(yīng)釜中的反應(yīng)體系施加脈沖電磁場(chǎng)處理2min后，將反應(yīng)釜移入恒溫箱，在97°C下水熱合成反應(yīng)5. 5h，降溫至室溫后取出FTO導(dǎo)電玻璃片，用去離子水沖洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒溫干燥箱中80°C保溫3h，SP得Al摻雜ZnO納米片陣列；SEM平面圖如圖3所示，SEM側(cè)視圖如圖4所示。由圖3可知，納米結(jié)構(gòu)的形貌幾乎全由納米片交錯(cuò)構(gòu)成，組織比較均勻；由圖4從側(cè)面圖清晰看出納米片，取向高度一致，垂直于襯底；根據(jù)圖3、圖4統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，納米片的比表面積為O. 116。實(shí)施例2
1、將FTO導(dǎo)電玻璃片(尺寸為20X20X3mm)放入溫度為75°C的超聲波清洗器中清洗4min后，取出用去離子水漂洗，在真空干燥箱中干燥4h ；
2、以こニ醇甲醚作為溶劑，用3mlこ酸鋅、4mlこ醇胺和24mlこニ醇甲醚配制混合溶液
I ;
3、取6ml配制的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上，用勻膠機(jī)涂覆均勻該溶液后，將涂覆有混合溶液的FTO導(dǎo)電玻璃片置于管式加熱爐中熱處理，加熱到300°C，保溫15min，冷卻至室溫；
4、重復(fù)第三步5次，在FTO導(dǎo)電玻璃片上即得到一層致密、均勻的ZnO薄膜；
5、將O.Olmol硝酸鋁、O. 49mol硝酸鋅和O. 5mol六次甲基四胺加入25L去離子水中配制混合溶液II，將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃片(作為基片)放入反應(yīng)釜內(nèi)，所述反應(yīng)釜內(nèi)膽材料為聚四氟こ烯、外膽材料為不銹鋼，用玻璃棒引流方式緩慢的將配制的混合溶液II注入反應(yīng)釜中，注入量為反應(yīng)釜容積的70%，旋緊反應(yīng)釜的蓋子；
6、用脈沖電磁場(chǎng)裝置(本實(shí)施例中采用電脈沖發(fā)生器，電磁線圈纏繞在反應(yīng)釜內(nèi)膽上)在600V脈沖電壓、6Hz脈沖頻率下對(duì)反應(yīng)釜中的反應(yīng)體系施加脈沖電磁場(chǎng)處理3min后，將反應(yīng)釜移入恒溫箱，在95°C下水熱合成反應(yīng)5h，降溫至室溫后取出FTO導(dǎo)電玻璃片，用去離子水沖洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒溫干燥箱中85°C保溫4h，即得Al摻雜ZnO納米片陣列；所得Al摻雜ZnO納米片陣列形貌與實(shí)例I相似。實(shí)施例3
1、將FTO導(dǎo)電玻璃片(尺寸為20X20X3mm)放入溫度為85°C的超聲波清洗器中清洗6min后，取出用去離子水漂洗，在真空干燥箱中干燥6h ；
2、以こニ醇甲醚作為溶劑，用4mlこ酸鋅、6mlこ醇胺和31mlこニ醇甲醚配制混合溶液I;
3、取12ml配制的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上，用勻膠機(jī)涂覆均勻該溶液后，將涂覆有混合溶液的FTO導(dǎo)電玻璃片置于管式加熱爐中熱處理，加熱到340°C，保溫20min，冷卻至
室溫；
4、重復(fù)第三步3次，在FTO導(dǎo)電玻璃片上即得到一層致密、均勻的ZnO薄膜；
5、將O.Olmol硝酸鋁、O. 32mol硝酸鋅和O. 33mol六次甲基四胺加入13. 2L去離子水中配制混合溶液II，將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電 玻璃片(作為基片)放入反應(yīng)釜內(nèi)，反應(yīng)釜內(nèi)膽材料為聚四氟こ烯、外膽材料為不銹鋼，用玻璃棒引流方式緩慢的將配制的混合溶液II注入反應(yīng)釜中，注入量為反應(yīng)釜容積的65%，旋緊反應(yīng)釜的蓋子；
6、用脈沖電磁場(chǎng)裝置(本實(shí)施例中采用電脈沖發(fā)生器，電磁線圈纏繞在反應(yīng)釜內(nèi)膽上)在700V脈沖電壓、9Hz脈沖頻率下對(duì)反應(yīng)釜中的反應(yīng)體系施加脈沖電場(chǎng)處理Imin后，將反應(yīng)釜移入恒溫箱，在100°C下水熱合成反應(yīng)6h，降溫至室溫后取出FTO導(dǎo)電玻璃片，用去離子水沖洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒溫干燥箱中90°C保溫5h，即得Al摻雜ZnO納米片陣列；所得Al摻雜ZnO納米片陣列形貌與實(shí)例I相似。對(duì)比例I
1、將FTO導(dǎo)電玻璃片(尺寸為20X20X3mm)放入溫度為80°C的超聲波清洗器中清洗5min后，取出用去離子水漂洗，在真空干燥箱中干燥5h ；
2、以こニ醇甲醚作為溶劑，用2mlこ酸鋅、2mlこ醇胺和15mlこニ醇甲醚配制混合溶液
I ;
3、取3ml配制的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上，用勻膠機(jī)涂覆均勻該溶液后，將涂覆有混合溶液的FTO導(dǎo)電玻璃片置于管式加熱爐中熱處理，加熱到320°C，保溫18min，冷卻至室溫；
4、重復(fù)第三步4次，在FTO導(dǎo)電玻璃片上即得到一層致密、均勻的ZnO薄膜；
5、將O.Olmol硝酸鋁、O. 99mol硝酸鋅和Imol六次甲基四胺加入57L去離子水中配制混合溶液11，將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃片放入反應(yīng)釜內(nèi)，用玻璃棒引流方式緩慢的將配制的混合溶液II注入反應(yīng)釜中，注入量為反應(yīng)釜容積的60%，旋緊反應(yīng)釜的蓋子；
6、將反應(yīng)釜移入恒溫箱，在97°C下水熱合成反應(yīng)5.5h，降溫至室溫后取出FTO導(dǎo)電玻璃片，用去離子水沖洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒溫干燥箱中50°C保溫3h，即得Al摻雜ZnO納米片陣列；即得Al摻雜ZnO納米片陣列；SEM平面圖如圖5所示。由圖5可知，近似圓形的片狀結(jié)構(gòu)，片狀結(jié)構(gòu)排列凌亂，大量的納米片水平漂浮在基底上，納米片排列不整齊，垂直度較差；根據(jù)圖5統(tǒng)計(jì)計(jì)算可知，納米片的比表面積為O.0725。
權(quán)利要求
1. 一種采用脈沖電磁場(chǎng)技術(shù)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，其特征是 I. I、將FTO導(dǎo)電玻璃片放入溫度為75 85°C的超聲波清洗器中清洗Γ6π η后，取出用去離子水漂洗，在真空干燥箱中干燥4 6h ； I. 2、用こニ醇甲醚作為溶劑將こ酸鋅、こ醇胺配制混合溶液I，其中，こ酸鋅與こ醇胺、こニ醇甲醚的體積比分別為I Γ1 1. 5、1 :7. 5 I 8 ； I. 3、將配制的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上并涂覆均勻進(jìn)行鍍膜，所述的混合溶液滴加量與導(dǎo)電玻璃片面積的關(guān)系為O. 25 lml/100mm2，將涂覆有混合溶液的FTO導(dǎo)電玻璃片置于管式加熱爐中，加熱到30(T340°C，保溫15 20min，冷卻至室溫； I. 4、重復(fù)第三步3飛次，在FTO導(dǎo)電玻璃片上即得到ZnO薄膜； I. 5、將硝酸鋁、硝酸鋅和六次甲基四肢加入去離子水中配制濃度為O. 04、. 05mol/L的混合溶液II，其中，硝酸鋁與硝酸鋅、六次甲基四肢的摩爾比分別為I :32 I :99、1 33 I :100，將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃片放入反應(yīng)釜內(nèi)，將配制的混合溶液II注入反應(yīng)釜中，注入量為反應(yīng)釜容積的60% 70% ； 1.6、用脈沖電磁場(chǎng)裝置對(duì)反應(yīng)爸中的反應(yīng)體系施加脈沖電磁場(chǎng)處理，脈沖時(shí)間為Γ3πι η,脈沖電壓為60(T700V，脈沖頻率為6 9Ηζ，處理后將反應(yīng)釜移入恒溫箱進(jìn)行水熱合成反應(yīng)，溫度為95 100°C，時(shí)間為5飛h，降溫至室溫后取出FTO導(dǎo)電玻璃片，用去離子水沖洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒溫干燥箱中8(T90°C保溫3-5h，即得Al摻雜ZnO納米片陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用脈沖電磁場(chǎng)技術(shù)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，其特征是所述硝酸鋁與硝酸鋅、六次甲基四肢的摩爾比分別為I :32 I 49,1 33 I :50。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用脈沖電磁場(chǎng)技術(shù)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，其特征是混合溶液II注入反應(yīng)釜時(shí)，用玻璃棒引流。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用脈沖電磁場(chǎng)技術(shù)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，其特征是所述反應(yīng)釜內(nèi)膽材料為聚四氟こ烯，外膽材料為不銹鋼，電磁線圈纏繞在反應(yīng)釜內(nèi)膽上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的采用脈沖電磁場(chǎng)技術(shù)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，其特征是脈沖電磁場(chǎng)處理時(shí)，脈沖時(shí)間為2min，脈沖電壓為650V，脈沖頻率為7Hz。
全文摘要
一種采用脈沖電磁場(chǎng)制備Al摻雜ZnO納米片陣列的方法，將FTO導(dǎo)電玻璃片放入超聲波清洗器中清洗；將乙酸鋅、乙醇胺和乙二醇甲醚的混合溶液I滴到導(dǎo)電玻璃片上，用勻膠機(jī)涂覆均勻，熱處理，制ZnO薄膜；將涂覆ZnO薄膜的FTO導(dǎo)電玻璃片放入反應(yīng)釜內(nèi)，將硝酸鋁、硝酸鋅和六次甲基四胺加入去離子水的混合溶液II注入反應(yīng)釜，對(duì)反應(yīng)釜中的反應(yīng)體系施加脈沖電磁場(chǎng)處理，處理后將反應(yīng)釜移入恒溫箱進(jìn)行水熱反應(yīng)后，沖洗玻璃表面的沉淀物，干燥，得Al摻雜ZnO納米片陣列。該方法操作簡(jiǎn)單、能耗低，所得納米片的取向一致，垂直度較高，納米片排列整齊，比表面積大，作為光陽(yáng)極時(shí)，有利于電子傳輸，提高染料敏化太陽(yáng)能電池效率。
文檔編號(hào)H01G9/20GK102693844SQ201210172680
公開日2012年9月26日 申請(qǐng)日期2012年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月30日
發(fā)明者唐立丹, 杜慧玲, 王冰, 王建中, 齊錦剛 申請(qǐng)人:遼寧工業(yè)大學(xué)