切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件技术

本发明专利技术公开了一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件，控制反应条件调控TiO2纳米管阵列结构和碳纳米管长度/直径大小及比例；通过电泳的方法形成不同填充密度的碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构；分别在无电解质和有电解质存在两种情况下将所获的系列结构差异的异质结构制备成全新的光伏器件。平均光电流密度从纯TiO2纳米管阵列的16μA/cm2增大到20～23μA/cm2；器件表现出0.01％～2％的效率。该器件制作方法简单，成本低，无污染，是有效利用太阳光的一种新型结构，拓宽了TiO2、碳纳米管在光伏领域的应用。碳纳米管在光伏领域的应用。碳纳米管在光伏领域的应用。

【技术实现步骤摘要】
切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构及其制备方法和器件


[0001]本专利技术涉及光伏器件的材料及构造方法，尤其涉及的是一种切断碳纳米管填充TiO2纳米管阵列的异质结构及其制备方法及全新光伏器件及其构造方法。

技术介绍

[0002]太阳能作为一种新型能源一直受到人们的广泛关注，TiO2作为一种半导体材料，具有合适的禁带宽度，且成本低，化学稳定性好，已被广泛应用于太阳能电池。基于钛基底生长的TiO2纳米管阵列具有高度取向性，可为电子传递提供良好的路径，且制作方法简单，避免了有机合成的繁琐过程，为大规模卷对卷生产提供了可能。目前存在的TiO2纳米晶化学电池，其中的光敏剂成分需要复杂的有机合成且价格昂贵，限制了其发展。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术的不足提供一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的制备方法，并将其用于全新的光伏器件。
[0004]本专利技术技术方案如下：
[0005]一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的制备方法，包括以下步骤：(1)阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列；(2)将碳纳米管在混酸溶液中加热搅拌，进行切断处理；(3)以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极，铂箔为负极，通过电泳的方法使碳纳米管填充进TiO2纳米管阵列，在金属钛基底上形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
[0006]所述的制备方法，阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列，温度为室温，所用电解液体积配比为：95％一缩二乙二醇、2％氢氟酸溶液和3％去离子水，电压20V～55V，氧化时间0.5～24h。
[0007]所述的制备方法，所用碳纳米管直径为8～15nm,长度0.5～2μm；对碳纳米管进行混酸切割，浓H2SO4和浓HNO3的体积比为7:3～1:1，温度70～80℃，处理时间5～12h。
[0008]所述的制备方法，在切断碳纳米管悬浮液中，以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极，铂箔为负极，在10～30V电压下进行电泳，此时氧化切断后带负电基团的碳纳米管会在外加电场的作用下进入到TiO2纳米管阵列，电泳时不断变换电压的方向和持续时间：正向持续5～30min，反向持续5～30min，重复10～30个来回，形成不同填充密度的碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
[0009]任一所述方法制备获得的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。
[0010]所述的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构制备的光伏器件，将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底置于密封绝缘凹槽内，盖上对电极。
[0011]所述的光伏器件，取切断碳纳米管水溶液旋涂在透明导电玻璃上形成切断碳纳米管膜，干燥后用作对电极。
[0012]所述的光伏器件，将制备好的带有切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的金属钛基底置于密封绝缘凹槽内，之后，将适量碘系电解质、铁系电解质、钴系电解质、铜系电解质或硫系电解质从边缘注入凹槽内，盖上对电极。
[0013]所述的光伏器件，碘系电解质为：0.5M碘化锂、0.05M碘和0.5M 4
‑
叔丁基吡啶，溶剂均为乙腈。
[0014]所述的光伏器件，铁系电解质为：0.2M铁氰化钾和0.2M亚铁氰化钾，溶剂均为水。
[0015]所述的切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构制备的光伏器件，氧化切断后的碳纳米管具有一定的带隙宽度，与TiO2形成合适的能级匹配，同时碳纳米管作为世界上最黑的材料，能够改善TiO2对光的吸收，所以在该光伏器件中，用碳纳米管作为光敏剂，制备出切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列光阳极，同时以带有碳纳米管的透明导电玻璃作为对电极，构造一种全新的钛
‑
碳光伏器件，分别在无电解质和有电解质两种情况下进行性能测试，所得器件效率为0.01％～2％。
[0016]在无电解质的情况下，电子只是通过两种材料的直接接触进行传导；当加入电解质后，电子的传导主要有两种途径：(1)直接接触电子传导：碳纳米管作为光敏剂，吸收光能电子跃迁至导带，通过两种材料的直接接触传递到TiO2。(2)间接接触电子传导。添加适量电解质后，器件效率与无电解质时相比有所提高，这与碳纳米管和TiO2之间的接触点有关，电解质作为“桥梁”，实现电子和空穴的搬运，碳纳米管受光照激发，电子跃迁至导带，氧化态电解质接受电子变为还原态，将电子传递给TiO2后重新变为氧化态，以碘系电解质为例，具体过程如下公式：
[0017](cut
‑
MWCNTs)+hν
→
(cut
‑
MWCNTs)*
ꢀꢀꢀ
(1)
[0018](cut
‑
MWCNTs)*
→
(cut
‑
MWCNTs)
+
+e
‑
(cb)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0019]I3‑
+2e
‑
(cb)
→
3I
‑
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]TiO2+3I
‑
→
(TiO2)
‑
+I3‑
ꢀꢀꢀ
(4)
[0021]本专利技术具有以下有益效果：
[0022]1、碳纳米管廉价且容易获得，通过混酸处理可以在其表面引入含氧官能团，从而改变其带隙宽度，实现带隙可调，达到与TiO2合适的能级匹配，此外，混酸处理切断了碳纳米管，短的碳纳米管能够与TiO2更充分地结合，这为我们提供了一种潜在光敏剂。2、通过简单的电泳法制备了切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构，该结构相比于纯TiO2纳米管阵列具有更好的光电流响应。
[0023]3、基于切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构，制备了一种全新的光伏器件，该器件与传统光伏器件相比具有更低的成本，且制作方法简单。这是一次全新的尝试，为碳纳米管在钛
‑
碳光伏器件中的应用提供了参考价值。
附图说明
[0024]图1为纯TiO2纳米管阵列的场发射扫描电镜(FESEM)图(a)和X射线衍射(XRD)图(b)；
[0025]图2为原始碳纳米管(a)和切断碳纳米管(b)的透射电子显微镜(TEM)图；
[0026]图3为切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的场发射扫描电镜(FESEM)图；
[0027]图4为纯TiO2纳米管阵列，切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的光电流响应
图；
[0028]图5为光伏器件结构图，1透明导电玻璃、2切断碳纳米管膜、3电解质、4切断碳纳米管、5TiO2纳米管阵列、6TiO2阻挡层、7金属钛基底；
[0029]图6为光伏器件在无电解质(实施例一)和添加铁系电解质(实施例三)的情况下的电流密度
‑
电压(J...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列；(2)将碳纳米管在混酸溶液中加热搅拌，进行切断处理；(3)以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极，铂箔为负极，通过电泳的方法使碳纳米管填充进TiO2纳米管阵列，在金属钛基底上形成切断碳纳米管@TiO2纳米管阵列异质结构。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，阳极氧化在金属钛基底上形成TiO2纳米管阵列，温度为室温，所用电解液体积配比为：95％一缩二乙二醇、2％氢氟酸溶液和3％去离子水，电压20V～55V，氧化时间0.5～24h。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所用碳纳米管直径为8～15nm,长度0.5～2μm；对碳纳米管进行混酸切割，浓H2SO4和浓HNO3的体积比为7:3～1:1，温度70～80℃，处理时间5～12h。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在切断碳纳米管悬浮液中，以制备好的载有TiO2纳米管阵列的金属钛基底为正极，铂箔为负极，在10～30V电压下进行电泳，此时氧化切断后带负电基团的碳纳米管会在外加电场的作用下进入到TiO2纳米管阵列，电泳时不断变换电压的方向和持...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐建国，牛思棋，王瑶，沈文飞，杜中林，毛遂，黄林军，刘瑾，张淼荣，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：