一种三维分级结构ZnO薄膜及其在敏化太阳能电池中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种三维分级结构ZnO薄膜的制备方法：1）以ZnO纳米颗粒薄膜、ZnO纳米片薄膜或ZnO纳米棒薄膜作为基底，将其放置在处理液中使表面生成一层TiO2或SnO2，取出，在空气气氛下于400―600℃烧结10―180 min；2）旋涂ZnO种子液，然后在空气气氛下于300―600℃烧结10―180 min，制备种子层；3）放入等摩尔浓度的Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4混合溶液中，于90―130℃水热处理1―10小时以生长ZnO纳米棒；4）水热处理结束后，取出，在空气气氛下于300―600℃烧结10―180 min即得。本发明专利技术制备工艺简单、成本低廉、且ZnO形貌易于控制，该ZnO薄膜可以同时提高比表面积和可见光的散射作用，提高自然光的有效利用率，将其用于制备敏化太阳能电池性能好，能获得6.0%的光电转换效率。

【技术实现步骤摘要】
一种三维分级结构ZnO薄膜及其在敏化太阳能电池中的应用
本专利技术属于功能材料及太阳能电池
，具体涉及一种三维分级结构ZnO薄膜、制备方法及其在敏化太阳能电池中的应用。
技术介绍
太阳能电池技术的发展日新月异，敏化太阳能电池采用光敏材料敏化宽带隙的半导体材料作为光阳极，如：TiO2、SnO2和ZnO等，其中ZnO是一种无毒、无污染的廉价功能材料，而且其形貌可以通过实验条件的控制得到调控。人们先后制备出了ZnO纳米棒、ZnO纳米片、ZnO纳米球、ZnO纳米线等不同形貌的ZnO材料，其在敏化太阳能电池中的应用得到了广泛的关注。但单一形貌的ZnO纳米晶材料作为敏化太阳能电池光阳极材料时性能较差，这主要是因为ZnO材料易结晶，所制备纳米晶薄膜的比表面积一般较小，而且对光线的透过性较好，光线的有效利用率较低。因此，亟待研发可以同时提高比表面积和可见光的散射作用，提高自然光有效利用率的ZnO薄膜。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服现有技术缺陷，提供一种三维分级结构ZnO薄膜，该ZnO薄膜可以同时提高比表面积和可见光的散射作用，提高自然光的有效利用率。本专利技术还提供了上述三维分级结构ZnO薄膜的制备方法，该方法工艺简单、成本低廉、且ZnO形貌易于控制。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种三维分级结构ZnO薄膜的制备方法，其包括如下步骤：1）以ZnO纳米颗粒薄膜、ZnO纳米片薄膜或ZnO纳米棒薄膜作为基底，将其放置在处理液中使表面生成一层TiO2或SnO2（一般在室温下放置1―10min即可），然后取出，在空气气氛下于400-600℃烧结10―180min；2）在步骤1）所得产物表面旋涂种子液，然后在空气气氛下于300-600℃烧结10―180min制备种子层；3）将步骤2）所得产物放入等摩尔浓度的Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4混合溶液中，于90―130℃水热处理1―10小时以生长ZnO纳米棒；4）水热处理结束后，取出，在空气气氛下于300-600℃烧结10―180min即得三维分级结构ZnO薄膜。具体的，步骤1）中，所述处理液为含0.05―0.3mol/L(NH4)2TiF6和0.05―0.5mol/LH3BO3的水溶液、含0.05―0.3mol/L(NH4)2TiF6和0.05―0.5mol/LH3BO3的水溶液、0.01―0.2mol/L的TiCl4水溶液或0.01―0.2mol/L的SnCl4水溶液。具体的，步骤2）中，所述种子液为含0.012―1.2mol/L乙酸锌+1.2mol/L乙醇胺的乙醇溶液。具体的，步骤3）中，Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4的摩尔浓度均为0.1―1mol/L。本专利技术提供了采用上述方法制备得到的三维分级结构ZnO薄膜。本专利技术还提供了上述三维分级结构ZnO薄膜在制备敏化太阳能电池中的应用。本专利技术三维分级结构ZnO薄膜在敏化太阳能电池中的应用技术如下：采用染料敏化分级结构的ZnO薄膜，制备光阳极，并采用商品化的对电极、电解液组装敏化太阳能电池，其中采用的染料可以为N719染料、N3染料等钌金属有机配合物或CdS量子点、CdSe量子点和CuInS2量子点等无机量子点敏化剂。和现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术三维分级结构ZnO薄膜的制备工艺简单、成本低廉、且ZnO形貌易于控制。此外，本专利技术三维分级结构ZnO薄膜可以同时提高比表面积和可见光的散射作用，提高自然光的有效利用率，将其用于制备敏化太阳能电池性能好，可以获得6.0%的光电转换效率。具体实施方式图1为实施例1未采用含(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液作为处理液时所制备分级结构的ZnO薄膜形貌图；图2为实施例2使用含不同浓度乙酸锌的种子液制备的三维分级结构ZnO薄膜形貌图；图3为实施例3使用不同水热时间所制备三维分级结构的ZnO薄膜形貌图；图4为实施例3用不同水热时间所制备三维分级结构的ZnO薄膜组装所得敏化太阳能电池的光电流-光电压特性曲线。具体实施方式以下结合实施例对本专利技术的技术方案作进一步地详细介绍，但本专利技术的保护范围并不局限于此。实施例1（采用ZnO纳米片薄膜作为基底，不制备TiO2或SnO2中间层）ZnO纳米片薄膜采用电化学沉积方法制备，具体步骤如下：电解质体系包含0.05MZn(NO3)2·6H2O和0.1MKCL。工作电极为FTO玻璃基板。参比电极和氯化钾饱和溶液相连。对电极与金属片相连。工作电极与对电极相距3.5cm。沉积温度通过油浴固定在70℃，沉积电压控制在-1.1V。除非特殊指明，沉积时间为30min。沉积样品用去离子水洗净，在室温下干燥，并在空气中450℃退火30min，制备获得ZnO纳米片薄膜。利用旋涂法在ZnO纳米片薄膜基底上旋涂0.6mol/L乙酸锌+1.2mol/L乙醇胺的乙醇溶液，再在450℃空气气氛下烧结30min制备ZnO种子层。然后在等摩尔浓度（0.6mol/L）的Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4混合溶液中于95℃水热处理2小时以生长ZnO纳米棒，最后在450℃空气气氛下烧结30min制备得到分级结构的ZnO薄膜。制备得到的分级结构ZnO薄膜见图1。图1为未采用含(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液作为处理液时所制备的分级结构的ZnO薄膜形貌图。图中可以看出：在所ZnO纳米片表面生成基本规则的ZnO纳米棒，ZnO纳米棒长度为1―2微米。实施例2（用ZnO纳米片薄膜作为基底，在ZnO纳米片薄膜表面生长一层TiO2）用ZnO纳米片薄膜作为基底，用0.1mol/L(NH4)2TiF6和0.2mol/LH3BO3的水溶液在室温下对ZnO纳米片薄膜浸泡处理5min以在ZnO纳米片薄膜表面生长一层TiO2，在450℃空气气氛下烧结30min。然后利用旋涂法旋涂不同浓度乙酸锌+1.2mol/L乙醇胺的乙醇溶液，再在450℃空气气氛下烧结30min制备ZnO种子层。然后在等摩尔浓度的（0.6mol/L）Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4混合溶液中于95℃水热处理2h以生长ZnO纳米棒，最后在450℃空气气氛下烧结30min制备得到三维分级结构的ZnO薄膜。制备得到三维分级结构的ZnO薄膜见图2。图2为使用含不同浓度乙酸锌的种子液制备的分级结构ZnO薄膜形貌图，其中种子液中乙酸锌的浓度分别为(a)1.2M；(b)0.6M；(c)0.12M；(d)0.06M，水热时间是2h。图中可以看出：随着乙酸锌浓度的变化，所制备三维分级结构的ZnO薄膜的形貌产生较大变化，ZnO纳米棒的生长由无须逐渐过渡到完全垂直于ZnO纳米片生长，因此可以通过该参数的调整调控三维分级结构的ZnO薄膜的形貌。实施例3（用ZnO纳米片薄膜作为基底，在ZnO纳米片薄膜表面生长一层TiO2）用ZnO纳米片薄膜作为基底，采用0.1mol/L(NH4)2TiF6和0.2mol/LH3BO3的水溶液在室温下对基底浸泡处理5min以在ZnO纳米片薄膜表面生长一层TiO2，在450℃空气气氛下烧结30min。然后利用旋涂法旋涂0.6mol/L乙酸锌+1.2mol/L乙醇胺的乙醇溶液，再在450℃空气气氛下烧结30min制备ZnO种子层。然后在等摩尔浓度（0.6mol/L）的Zn(NO3)2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维分级结构ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）以ZnO纳米颗粒薄膜、ZnO纳米片薄膜或ZnO纳米棒薄膜作为基底，将其放置在处理液中使表面生成一层TiO2或SnO2，然后取出，在空气气氛下于400―600℃烧结10―180 min；2）在步骤1）所得产物表面旋涂种子液，然后在空气气氛下于300―600℃烧结10―180 min，制备种子层；3）将步骤2）所得产物放入等摩尔浓度的Zn(NO3)2·6H2O 和 C6H12N4混合溶液中，于90―130℃水热处理1―10小时以生长ZnO纳米棒；4）水热处理结束后，取出，在空气气氛下于300―600℃烧结10―180 min，即得三维分级结构ZnO薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种三维分级结构ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1）以ZnO纳米颗粒薄膜、ZnO纳米片薄膜或ZnO纳米棒薄膜作为基底，将其放置在处理液中使表面生成一层TiO2或SnO2，然后取出，在空气气氛下于400―600℃烧结10―180min；2）在步骤1）所得产物表面旋涂种子液，然后在空气气氛下于300―600℃烧结10―180min，制备种子层；3）将步骤2）所得产物放入等摩尔浓度的Zn(NO3)2·6H2O和C6H12N4混合溶液中，于90―130℃水热处理1―10小时以生长ZnO纳米棒；4）水热处理结束后，取出，在空气气氛下于300―600℃烧结10―180min，即得三维分级结构ZnO薄膜。2.如权利要求1所述三维分级结构ZnO薄膜的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述处理液为含0.05―0.3mo...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈增，李胜军，李永军，蔡俊豪，刁春丽，李福民，李卓，张伟风，
申请(专利权)人：河南大学，
类型：发明
国别省市：河南,41