本申请公开了一种ZnO‑SnO2复合纳米颗粒和浆料及其应用，包括ZnO超细纳米颗粒和SnO2亚微米级颗粒，通过将氢氧化物与锌盐、锡盐混合研磨、陈化、洗涤、离心、分散等步骤获得，制备光阳极时刮涂在导电基底上，形成13‑21μm的薄膜。本申请的复合纳米颗粒及浆料制备方法简单，能够保证在降低光阳极厚度、缩短电子传输距离、降低电荷复合概率、降低器件的串联电阻的同时依然能够吸附足够多的染料分子，对提升器件的填充因子能到起到积极的作用。
【技术实现步骤摘要】
一种ZnO-SnO2复合纳米颗粒和浆料及其应用
本申请涉及新能源材料与器件领域，具体而言，涉及一种ZnO-SnO2复合纳米颗粒和浆料及其应用。
技术介绍
太阳能电池是一种将光能直接转换为电能的装置，在当今新能源的开发利用中具有极其重要的作用，也将是未来主打的一种大规模发电装置。在历经硅系和化合物薄膜太阳能电池发展以后，当今光伏领域的前沿研究已进入第三代。第三代太阳能电池主要包括有机太阳能电池、聚合物太阳能电池、染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等。其中，染料敏化太阳能电池(Dye-SensitizedSolarcells，简称DSCs)在结构和工作原理方面具有与其它光伏器件截然不同之处。首先，DSCs的工作原理最接近自然界的光合作用，依靠染料分子吸收太阳光；其次，DSCs中采用了多孔纳米晶光阳极，这与之前的异质结电池截然不同；最后，DSCs是唯一一种使用液态电解质的光伏器件，其阴极在电池工作过程中通过电催化还原作用将外电路电子转移至电解质中的电对。同传统太阳能电池相比，DSCs具有许多突出的优点，例如：成本低廉、制备过程简单、环境友好、可实现多彩化以及易于同建筑物结合等。当前，DSCs效率的提升依然面临诸多问题。决定光伏器件能量转换效率的3个参数包括开路电压、短路电流以及填充因子。其中，填充因子是指太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值，是评价电池输出特性的一个重要参数。填充因子越高，表明太阳电池的输出特性越趋近于矩形，光电转换效率越高。影响填充因子的因素有短路电流、暗电流、串联电阻、并联电阻、温度等因素。其中，电池的串、并联电阻对填充因子的影响最大。一般情况下，串联电阻越大，并联电阻越小，填充因子则越小。在DSCs各个组成部分中，光阳极的特性很大程度上影响了器件的填充因子。首先，在光阳极与电解质的界面上容易发生电荷复合，这是影响器件填充因子的第一个不利因素。其次，光阳极导电性差，增加了器件内阻，也将影响填充因子。第三，电解质通过渗透作用可以与导电基底产生部分接触，从而形成了漏电流的通路，减少了器件并联电阻，降低了填充因子。氧化锌(ZnO)是一种宽带隙N型氧化物半导体材料，其带隙和激子束缚能较大、透明度高并且具有优异的常温发光性能。ZnO在半导体领域的液晶显示器、薄膜晶体管、发光二极管等产品中均有应用。与此同时，ZnO也是一种常见的DSCs光阳极材料，以ZnO为光阳极的DSCs被称为氧化锌染料敏化太阳能电池，简写为ZnO-DSCs。目前，ZnO-DSCs填充因子普遍偏低，基本上都不超过0.70。例如，Gao等人将海胆状的ZnO多级结构制备成了DSCs光阳极(Nanoscale,2013,5,1894–1901)，尽管器件的短路电流较高(11.94mAcm-2)，但填充因子仅为0.37，这最终导致器件效率偏低(2.38％)。Zhou等人采用具有更好电子传输性能的ZnO纳米线阵列制备DSCs光阳极，器件的填充因子也仅有0.525。提高ZnO-DSCs填充因子的有效途径是调控光阳极纳米结构。例如，Jiang等人使用一种特殊结构的ZnO制备光阳极，这种结构有纳米棒束定向聚集而成，具有很好的电子传输性能。最后，所制备的ZnO-DSCs填充因子也仅为0.63(CrystEngComm,2013,15,1210–1217)，这一数值与高性能器件的要求仍差距较大。因此，从以上实例可以看出，ZnO-DSCs填充因子普遍较低，而以往通过光阳极纳米结构的调控对提升填充因子的作用依然十分有限。究其原因，是这些ZnO光阳极结构很难同时兼顾提升导电性、抑制电荷复合以及防止漏电流。因此，设计一种新型的、能大幅提升ZnO-DSCs的填充因子，同时兼顾提升导电性、抑制电荷复合以及防止漏电流的ZnO光阳极材料是本领域亟待解决的技术问题。
技术实现思路
本专利技术提供了一种ZnO-SnO2复合纳米颗粒，包括ZnO超细纳米颗粒和SnO2亚微米级颗粒；ZnO超细纳米颗粒的粒径在10nm以下。进一步的，ZnO超细纳米颗粒与所述SnO2亚微米级颗粒的质量比为1.8:1.0。进一步的，ZnO-SnO2复合纳米颗粒的制备方法包括：(1)将氢氧化物与锌盐、锡盐混合研磨，得到含有ZnO和SnO2的白色混合物；(2)向白色混合物中加水后陈化；(3)震荡条件下，洗涤步骤(2)陈化所得物，之后离心分离所得沉淀即为ZnO-SnO2复合纳米颗粒。具体的，ZnO-SnO2复合纳米颗粒的制备方法还包括下述1)-8)所述中的至少一种：1)氢氧化物为为氢氧化钠或氢氧化钾，锌盐为六水合硝酸锌、氯化锌、甲酸锌或二水合醋酸锌，锡盐为四氯化锡；2)氢氧化物与锌盐、锡盐的质量比为1：1.5-2.5：3.0-4.5；3)步骤(1)中研磨时间为10-30分钟；4)步骤(2)中加入的水与步骤(1)中得到的白色混合物的体积比为2-4:1，陈化时间为1～24h，陈化温度为常温；5)步骤(3)中的震荡包括超声震荡和漩涡震荡，超声震荡频率为35kHz，时间为5-10分钟；漩涡震荡频率为18-22Hz，时间为3-5分钟；6)步骤(3)中采用去离子水洗涤陈化所得物，去离子水与所述陈化所得物体积比为12-17:1；7)步骤(3)中离心分离转数为2000r/min，时间为5-10min；8)重复步骤(3)3-5次或者重复步骤(3)至洗涤后的水的pH值达到中性，以尽可能去除ZnO超细纳米片表面上的盐离子。本专利技术还提供了一种ZnO-SnO2复合纳米浆料，通过将本专利技术的ZnO-SnO2复合纳米颗粒加水分散均匀获得。具体的，ZnO-SnO2复合纳米浆料的制备包括下述1)-4)所述中的至少一种：1)加水分散时采用的水为去离子水；2)ZnO-SnO2复合纳米颗粒与水的质量比为1:6～1:9；3)分散是指在超声震荡和旋涡震荡条件下进行分散，超声震荡的频率是35kHz，时间为5-10分钟；旋涡震荡的频率是18-22Hz，时间为3-5分钟；4)重复分散5次。本专利技术还提供一种本专利技术的ZnO-SnO2复合纳米颗粒或ZnO-SnO2复合纳米浆料的应用，具体应用于太阳能电池领域。进一步的，将本专利技术的ZnO-SnO2复合纳米颗粒或ZnO-SnO2复合纳米浆料具体应用于染料敏化太阳能电池领域光阳极的制备。具体的，光阳极的制备包括将采用本专利技术的ZnO-SnO2复合纳米颗粒制备好的浆料或者直接采用本专利技术的ZnO-SnO2复合纳米浆料刮涂在洁净的导电基底上，控制薄膜厚度为13-21μm。进一步的，光阳极的制备还包括下述1)-3)所述中的至少一种：1)使用超薄胶带控制所述薄膜厚度；2)导电基底为FTO玻璃；3)刮涂完成后将薄膜放置在空气中自然晾干，之后放入烘箱或者马弗炉中加热，热处理温度140℃-400℃，时间2～4h，最后冷却至室温即得所述光阳极。将制备好的光阳极在70-100℃的温度下预热30分钟，之后放入浓度为0.1-0.8mmolL-1的N719染料溶液(cis-bis(isothiocyanato)bis-(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylato)–ruthenium(II)bis-tetrabutylammonium)中浸泡60-180分钟。将敏化后的光阳极取出，用无水乙醇清洗，之后本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种ZnO‑SnO2复合纳米颗粒，其特征在于包括ZnO超细纳米颗粒和SnO2亚微米级颗粒；所述ZnO超细纳米颗粒的粒径在10nm以下。
【技术特征摘要】
1.一种ZnO-SnO2复合纳米颗粒，其特征在于包括ZnO超细纳米颗粒和SnO2亚微米级颗粒；所述ZnO超细纳米颗粒的粒径在10nm以下。2.根据权利要求1所述的ZnO-SnO2复合纳米颗粒，其特征在于，所述复合纳米颗粒的制备方法包括：(1)将氢氧化物与锌盐、锡盐混合研磨，得到含有ZnO和SnO2的白色混合物；(2)向所述白色混合物中加水后陈化；(3)震荡条件下，洗涤步骤(2)陈化所得物，之后离心分离所得沉淀即为所述ZnO-SnO2复合纳米颗粒。3.根据权利要求2所述的ZnO-SnO2复合纳米颗粒，其特征在于，具体包括下述1)-8)所述中的至少一种：1)所述氢氧化物为为氢氧化钠或氢氧化钾，所述锌盐为六水合硝酸锌、氯化锌、甲酸锌或二水合醋酸锌，锡盐为四氯化锡；2)氢氧化物与锌盐、锡盐的质量比为1：1.5-2.5：3.0-4.5；3)所述步骤(1)中研磨时间为10-30分钟；4)所述步骤(2)中加入的水与步骤(1)中得到的白色混合物的体积比为2-4:1，陈化时间为1～24h，陈化温度为常温；5)所述步骤(3)中的震荡包括超声震荡和漩涡震荡，超声震荡频率为35kHz，时间为5-10分钟；漩涡震荡频率为18-22Hz，时间为3-5分钟；6)所述步骤(3)中采用去离子水洗涤陈化所得物，所述去离子水与所述陈化所得物体积比为12-17:1；7)所述步骤(3)中离心分离转数为2000r/min,时间为5-10min；8)重复步骤(3)3-5次或者重复步骤(3)至洗涤后的水的pH值达到中性。4.一种ZnO-Sn...
【专利技术属性】
技术研发人员：史彦涛，李燕茜，
申请(专利权)人：东莞理工学院，北京赛知科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44
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