一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极结构及制备方法，所述光阳极为具有多级结构特征的ZnO粉体，该ZnO结构为多级结构，初级结构为ZnO超细纳米片和纳米棒，二级结构为花状微米颗粒；其中，纳米片厚度在50nm左右，纳米片之间交错生长，相互连通，形成尺寸在微米级的花瓣状二级结构；纳米棒为阵列状排列，垂直生在纳米片上。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极及其制备方法
本专利技术属于新能源材料与器件领域，尤其涉及一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极及其制备方法。
技术介绍
染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcells，简称DSCs)是一种具有代表性的第三代光伏器件，其由导电玻璃、光阳极、染料、电解质和对电极组成。与其它光伏技术相比，DSCs具有成本低、制备工艺简单、理论转换效率高、可弱光发电、易于实现柔性化/多彩化等优点，因此备受人们的关注。在DSCs中，光阳极的作用是负载染料分子并收集和传输光生电子。一种优异的光阳极需要同时具备以下几个特点：(1)较大的比表面积，这样可以吸附足够多的染料分子，这就要求光阳极具有纳米结构组成；(2)优异的光散射能力，防止太阳光从光阳极直接透射出去，延迟光子在光阳极中的传输距离，从而增大光子被光阳极负载的染料分子捕获的概率；(3)良好的孔结构，有利于电解质的渗透，从而可以及时还原受光激发后的染料分子；(4)优异的电子传输性能，从而可以将光生电子及时传输至外电路。当前，DSCs中的光阳极大都由纳米晶制备而成，通常的制备方法是将纳米晶和高分子造孔剂均匀混合后制备成高粘度的浆料，再通过丝网印刷的方法将其涂敷在导电基底上，最后通过高温烧结除去有机组分后便得到多孔光阳极。这种传统的光阳极结构及其制备方法存在几个方面的问题：(1)这种由纳米晶组成的光阳极尽管具有较大的比表面积，但其粒子尺寸较小(20～30nm)，光散射能力较差，因此还需要额外制备一层粒径在亚微米级的光散射层；(2)在这种光阳极内部，由于晶粒尺寸较小，因此存在大量的晶界，对电子的传输产生严重的散射，不利于电子的传输和收集；(3)传统光阳极需要高温烧结，这增加了器件制备的成本，延长了能量偿还时间，同时也无法实现在塑料柔性基底上制备。氧化锌(ZnO)是一种常见的N型半导体，具有比氧化钛(TiO2)更高的载流子迁移率。与此同时，ZnO结晶温度低，在较低的温度下即可实现较高的结晶度。另外，ZnO晶体具有高度的各向异性，微纳结构多样，形貌容易调控。在众多的ZnO结构当中，一维有序结构(包括纳米线、纳米棒、纳米管等)借助于直线传输通道可以有效减少电子的传输距离，提高电子的收集效率。P.D.Yang小组使用低温水热发制备了单向性良好的阵列纳米线，将其作为光阳极应用于DSCs，用实验数据证实了电子直线传输的优势。但是，以这种结构为基础的DSCs仅仅获得了1.5％的光电转换效率。同样，Y.F.Gao等人通过化学水浴法获得了直径在120nm～150nm之间、长度为14μm的ZnO单晶纳米线，但电池的最终效率也只有1.7％。这种一维结构光阳极尽管具有优异的电子传输性能，但由于其表面积低下，所能吸附的染料分子数目十分有限，另外，这种结构在光散射方面的表面也较差，因此难以获得高的光电转换效率。微米/纳米复合的多级结构的ZnO光阳极在比表面积和光散射方面有自己的优势，这种结构的光阳极往往由尺寸不同的颗粒组成，小颗粒比表面积较大，能保证足够的染料吸附量；大颗粒的光散射和造孔能力比较强，使用多级结构的ZnO光阳极效率较高。E.Hosono等人较早地开展了多级结构ZnO光阳极的研究，他们通过化学水浴法在导电玻璃基底上制备出了具有花状片簇结构的ZnO，电池的转换效率达到了2.0％。这种方法虽然能提高电池的性能，但是制备样品所需要的时间太长，往往要经过几十个小时的CBD过程，不适合大规模应用。Q.F.Zhang等使用溶剂热的方法合成出了由ZnO纳米晶团聚而成的的纳米球，这种球聚体尺寸在150nm～200nm之间，比表面积可以达到80m2/g，电池的光电转换效率可以超过5％。但这种结构存在较多的内部晶界，不利于电子的传输。如何设计一种既有较大的比表面积和良好的光散射性能，同时又具有优异电子传输特性的光阳极面临一定的挑战。在这种光阳极应该具有多级结构或复合结构，利用其中的小尺寸粒子保证充足的染料吸附量，利用其中大尺寸的粒子实现对入射光的有效散射，利用其中的一维有序结构实现电子的快速传输。综上，开发一种具有优异光/电特性的ZnO光阳极具有重要的意义。
技术实现思路
为解决上述
技术介绍
中提出的问题，本专利技术提供了一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极及其制备方法，其通过以下技术手段实现的：一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极，所述光阳极为具有多级结构特征的ZnO粉体，该ZnO结构为多级结构，初级结构为ZnO超细纳米片和纳米棒，二级结构为花状微米颗粒；其中，纳米片厚度在50nm左右，纳米片之间交错生长，相互连通，形成尺寸在微米级的花瓣状二级结构；纳米棒为阵列状排列，垂直生在在纳米片上。特殊结构的ZnO采用超声辅助共沉淀法制备，将锌盐溶液加入到碱性沉淀剂溶液当中，通过控制转速、浓度、沉淀时间获得目标产物，其具体操作步骤如下：1)分别配制等体积但不同浓度的碱性溶液和锌盐溶液；2)将碱性溶液放入搅拌桨进行机械搅拌，转速控制在200rpm～400rpm之间，同时将容器放入超声频率35kHz的超声清洗机中进行超声分散，在机械搅拌和超声的共同作用下，将锌盐溶液缓慢注入到碱性溶液中；3)沉淀完成后，将上述混合物静置数小时，倒掉上层澄清液并将白色沉淀过滤出来；4)过滤出的沉淀加入去离子水重新分散、洗涤、过滤，直至洗涤液的pH值为中性，然后用无水乙醇进行洗涤，最后干燥得到固体粉末。作为本专利技术的优选方案，所述步骤1)的碱性溶液是浓度为0.4～1.5mol/L的氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液或碳酸钾溶液；所述锌盐溶液是浓度为0.05～0.8mol/L的硝酸锌溶液、氯化锌溶液、甲酸锌溶液或二水合醋酸锌溶液；另外，锌盐与碱液的浓度比需严格控制在1:10至1:13之间，所述步骤2)中锌盐溶液的添加速率为1.0～4.0ml/s，作为本专利技术的优选方案，所述步骤3)中干燥温度为100～200℃。本专利技术还提供了一种复合型ZnO光阳极制备方法，复合型ZnO光阳极由多级结构特征的ZnO粉体与ZnO纳米颗粒相混合制备而成，具体操作步骤如下：1)称取一定质量的特殊结构ZnO粉体以及一定质量的商业ZnO纳米粉体，混合后加入一定质量的溶剂进行分散，分散方法为超声加震荡；2)将制备好的浆料刮涂在洁净的导电玻璃上，使用超薄胶带控制薄膜厚度，刮涂完成后将薄膜放置在空气中自然晾干，之后放入烘箱中加热烘干，即完成ZnO光阳极的制备；3)将制备好的ZnO光阳极首先预热，之后放入染料溶液中敏化；4)在敏化后的光阳极上涂覆凝胶电解质，之后跟对电极叠合在一起，用夹子固定后即完成器件的组装。作为本专利技术的优选方案，所述步骤1)中特殊结构ZnO粉体与商业ZnO纳米粉体的质量比为7：3～9：1，其中，商业ZnO纳米粉体的粒径为20～30nm，在光阳极中起连接的作用；浆料制备时，所加入溶剂与固体的质量比为3:1；所用溶剂为乙醇与水的混合物，体积比为1:1。作为本专利技术的优选方案，所述步骤2)中光阳极的厚度控制在25～45μm，加热温度为180～200℃，加热时间为1～4h。作为本专利技术的优选方案，所述步骤3)中ZnO预热温度为60～80℃，染料为联吡啶钌染料或者有机染料，染料溶液所用的溶剂为无水乙醇或者乙腈与正丁醇混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极，其特征在于，所述光阳极为具有多级结构特征的ZnO粉体，该ZnO结构为多级结构，初级结构为ZnO超细纳米片和纳米棒，二级结构为花状微米颗粒；其中，纳米片厚度在50nm左右，纳米片之间交错生长，相互连通，形成尺寸在微米级的花瓣状二级结构；纳米棒为阵列状排列，垂直生在在纳米片上。

【技术特征摘要】
1.一种具有超快电子传输特性的氧化锌光阳极，其特征在于，所述光阳极为具有多级结构特征的ZnO粉体，该ZnO结构为多级结构，初级结构为ZnO超细纳米片和纳米棒，二级结构为花状微米颗粒；其中，纳米片厚度在50nm左右，纳米片之间交错生长，相互连通，形成尺寸在微米级的花瓣状二级结构；纳米棒为阵列状排列，垂直生在在纳米片上。2.根据权利要求1所述的氧化锌光阳极，其特征在于，特殊结构的ZnO采用超声辅助共沉淀法制备，将锌盐溶液加入到碱性沉淀剂溶液当中，通过控制转速、浓度、沉淀时间获得目标产物，其具体操作步骤如下：1)分别配制等体积但不同浓度的碱性溶液和锌盐溶液；2)将碱性溶液放入搅拌桨进行机械搅拌，转速控制在200rpm～400rpm之间，同时将容器放入超声频率35kHz的超声清洗机中进行超声分散，在机械搅拌和超声的共同作用下，将锌盐溶液缓慢注入到碱性溶液中；3)沉淀完成后，将上述混合物静置数小时，倒掉上层澄清液并将白色沉淀过滤出来；4)过滤出的沉淀加入去离子水重新分散、洗涤、过滤，直至洗涤液的pH值为中性，然后用无水乙醇进行洗涤，最后干燥得到固体粉末。3.根据权利要求2所述的氧化锌光阳极，其特征在于，所述步骤1)的碱性溶液是浓度为0.4～1.5mol/L的氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、碳酸钠溶液或碳酸钾溶液；所述锌盐溶液是浓度为0.05～0.8mol/L的硝酸锌溶液、氯化锌溶液、甲酸锌溶液或二水合醋酸锌溶液；另外，锌盐与碱液的浓度比需严格控制在1:10至1:13之间，所述步骤2)中锌盐溶液的添加速率为1.0～4.0ml/s，作为本发明的优选方案，所述步骤3)中干燥温度为100～200℃。4.一种复合型ZnO...

【专利技术属性】
技术研发人员：史彦涛，李燕茜，
申请(专利权)人：江苏赛清科技有限公司，浙江赛时科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32