ＳｉＯ２修饰的ＺｎＯ纳米多孔薄膜复合电极的制备方法技术

本发明专利技术属于纳米材料技术领域，涉及一种ＳｉＯ２修饰的ＺｎＯ纳米多孔薄膜复合电极的制备方法。其特征在于：利用ＺｎＯ纳米颗粒多孔薄膜作为复合电极基础层；通过选取旋转涂覆氧化硅溶胶保护层来提高氧化锌纳米颗粒多孔薄膜电极在酸性染料中的耐腐蚀性能，用于染料敏化太阳能电池的稳定性。本发明专利技术通过对溶胶涂覆层数、烧结次数、浓度的调整可合理控制氧化硅薄膜涂层的厚度，获得耐腐蚀能力强且性能优异的复合电极。本发明专利技术可针对不同的敏化条件调整工艺参数来获得在敏化过程中耐酸性强、电极性能最优的ＳｉＯ２－ＺｎＯ纳米颗粒多孔薄膜复合电极。其生产工艺具有效率高、成本低、适合于未来大规模生产等许多优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米材料
，特别是提供了一种采用氧化硅修饰层来防止氧化 锌纳米颗粒多孔薄膜电极在进行染料敏化过程中被腐蚀损伤的方法，涉及一种染料敏化太 阳能电池复合电阳极的制备方法。
技术介绍
开发廉价、清洁、环境友好和可再生的新能源已经成为当前研究领域的一个热点。 太阳能是资源最丰富的可再生能源，作为一种可永续利用的清洁能源，有着巨大的开发应 用潜力。目前，硅太阳能电池已广泛用于航天、通讯、交通等领域。尽管该种电池的转化效 率高，但其制造工艺复杂、材料要求苛刻而且价格昂贵。而染料敏化太阳能电池以其较高 的转换率、成本低、制作工艺简单等优点，成为了近年来研究的一大热门领域。ZnO具有合 适的禁带宽度、大的比表面积对光腐蚀稳定性以及良好的电子传输性，而被应用作为太能 染料敏化电池的光阳极材料。尽管目前基于ZnO纳米材料的染料敏化太阳能电池的转化效 率仍低于基于TiO2颗粒的太能电池。但是ZnO中电子的迁移率高，可减少电子在传播过程 中的损失，有极大提高电池光能量转化效率的潜能。同时，ZnO纳米材料的制备方法简单多 样，可通过控合成反应获得大面积、形貌多样的ZnO纳米结构(如纳米颗粒、棒、线、阵列、 四针、带、环、梳等)。这形貌结构不仅有利于对光阳极的结构进行优化，并且有望进一步降 低电池成本。(Z. Qin, Q. L. Liao, Y. H. Huang, L. D. Tang, Χ. H. Zhang, Y. Zhang, Mater. Chem. Phys. 123(2010)811 ；N. Ye, J. J. Qi, Z. Qi, X. M. Zhang, Y. Yang, J. Liu, Y. Zhang, J. Power Sources 195(2010)5806)目前，对基于ZnO纳米颗粒薄膜的染料敏化太阳能电池来说，其转化效率依然低 于TiO2纳米晶染料敏化太阳能电池。其主要的制约因素在于染料的能级与ZnO材料的能 级匹配情况以及它们之间的吸附结合能力。目前商业化使用的染料大多为钌的多吡啶有机 金属配合物(如N3、N719等)，是性能优越的一类光敏化染料。然而，这类的染料在溶液中 成酸性，不仅会对ZnO纳米材料的表面造成腐蚀损伤和颗粒团聚。在团聚过程中会产生大 量的Zn27dye配合物，它们严重阻碍电子的注入效率。因此，基于ZnO纳米颗粒多孔薄膜电 极的染料敏化太阳能电池的转化效率的继续提高受到了一定的限制。(M. Law,L. Ε. Greene, A. Radenovic, Τ. Kuykendal 1, J. Liphardt, P. D. Yang, J. Phys. Chem. B 110(2006)22652 ； S. H. Kang, J. Y. Kim, Y. Kim, H. S. Kim, Y. E. Sung, J. Phys. Chem. C 111 (2007) 9614 ；X. J. Wang, M. K. Lei，T. Yang, L. J. Yuan, J. Mater. Res. 18 (2003) 2401.)。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种采用氧化硅修饰层来提高氧化锌纳米颗粒多孔薄膜电 极在染料浸泡中抗腐蚀损伤能力的方法，制备出一种适用于染料敏化太阳能电池高稳定性 的SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极。该方法制备的复合电极抗染料腐蚀性强，且其生 产工艺具有效率高、成本低、适合于未来大规模生产等许多优点。本专利技术提出了一种在染料敏化过程中耐腐蚀性强SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复 合电极的制备方法。采用刮涂法方法在导电基底上制备了多孔的ZnO纳米颗粒薄膜；利用 旋转涂覆法在ZnO纳米颗粒薄膜表面复合一层SiO2薄膜。可针对不同的敏化条件调整工 艺参数来获得在敏化过程中耐酸性强、电极性能优良的SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电 极。具体工艺步骤如下1.将ZnO粉末充分研磨30分钟至1小时后，选择在400 600摄氏度下热处理半 小时以上，最后自然冷却至室温。2.将步骤1所述处理过的ZnO粉末与乙基纤维素、松油醇以2 1 8 1 1 5 的质量比混合于无水乙醇中制备成浆料。在超声波震荡器中搅拌分散处理0. 5 1小时。 随后放在加热炉上加热，并不断搅拌20 30分钟，直至形成粘度适当的稠状ZnO纳米浆 料。3.将ZnO纳米浆料在导电基底上均勻铺展，静置均化15分钟，然后在400 800°C 下煅烧0. 5 1小时，即可获得ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极。可以选择重复本步操作多次， 可得到所需厚度的ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极。4.将氧化硅水溶胶中的氧化硅含量调节在10 26wt%的范围，超声处理15分钟 后，获得粘稠度适当的胶状溶液。取0. 1毫升的经超声处理后的胶状溶液滴于已制得的ZnO 纳米颗粒多孔薄膜表面。将旋转速度设置为低速1000转/分、高速3000转/分。静置10 分钟后，分别在低速档旋转5 10秒，在高速档旋转10 20秒，便可获得均勻的胶体涂层 电极。根据不同敏化条件的参数要求，可选择多次涂覆。6.将步骤4所述旋涂好的电极放入箱式炉中，在400 800°C区间热处理0. 5 1小时，可制得SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极。与现有技术相比，本专利技术所制备的基于ZnO纳米颗粒的染料敏化太阳能电池电极 的制备方法有以下优点1.旋涂法制备的SiO2保护层，提高了 ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极在酸性染料中浸 泡时的抗酸腐蚀性，有效抑制了 ZnO颗粒之间的团聚及影响电子注入效率的Zn27dye配合 物的产生。2.采用旋涂溶胶法工艺简单，可获得表面均勻的SiO2薄膜涂层。3.通过对溶胶涂覆层数、烧结次数、浓度的调整可合理控制SiO2薄膜涂层的厚度， 获得耐腐蚀能力强且性能优异的复合电极。4.利用该SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极组装的染料敏化太阳能电池的敏 化性能得到了提高。附图说明图1为本专利技术采用刮涂法制备的ZnO纳米颗粒多孔薄膜表面形貌扫描电镜照片。 所得薄膜孔隙多、颗粒大小均勻。图2为本专利技术采用旋转涂覆法制备的SiO2修饰的ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电 极侧面形貌电镜照片。图3为本专利技术制备的SiO2修饰的ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极的EDS能谱分 析。图4为本专利技术利用制备的SiO2-ZnO纳米棒阵列复合电极在经过不同敏化时间后 的电池性能曲线。该性能曲线说明了本专利技术获得的复合电极具有着非常优异的耐腐蚀损伤 性能。具体实施例方式下面结合实例对本专利技术的技术方案进行进一步说明实例11.将ZnO粉末充分研磨45分钟，然后在500摄氏度下热处理45分钟，最后自然冷却至室温。2.将上述处理过的ZnO粉末(4g)、松油醇(18mL)、乙基纤维素(2.0g)、酒精 (50mL)混合制备成浆料。先超声波震荡搅拌处理30分钟。随后放在加热炉上加热，并不断 搅拌20 30分钟，直至形成粘稠状浆料。3.将ZnO纳米浆料均勻涂覆在FTO导电玻璃上，干燥后在450°C的箱式炉中烧结 1小时，自然冷却后取出，即可得到厚度约为10微米的ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极。4.取浓度约为11 13wt%的氧化硅溶胶，超声处理15分钟后，获得粘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳｉＯ↓［２］修饰的ＺｎＯ纳米多孔薄膜复合电极的制备方法，其特征在于，制备工艺步骤为：ａ．将ＺｎＯ粉末充分研磨后，放入加热炉中，在４００～６００摄氏度下处理０．５～１小时；ｂ．将上述处理过的ＺｎＯ粉末与乙基纤维素、松油醇以２∶１∶８～１∶１∶５的质量比混合溶于无水乙醇中制备成ＺｎＯ初级浆料；ｃ．将ＺｎＯ初级浆料在导电基底上均匀铺展，静置均化１５分钟，然后在４００～８００℃下煅烧０．５～１小时，即可获得ＺｎＯ纳米颗粒多孔薄膜电极；ｄ．吸取氧化硅溶胶滴于上述制得的ＺｎＯ纳米颗粒多孔薄膜表面，静置１０秒钟后旋转涂覆，直到获得所需的均匀涂层的参数要求的复合电极；ｅ．将上述旋涂好的复合电极进行热处理后，即制得的ＳｉＯ↓［２］－ＺｎＯ纳米颗粒多孔薄膜复合电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，秦子，黄运华，廖庆亮，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]