一种ＳｉＯ２－ＺｎＯ纳米棒阵列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－ＺｎＯ纳米棒阵列复合电极的制备方法。其特征在于：利用水热法制备的ＺｎＯ纳米棒阵列作为复合电极基础层；选取旋转涂覆氧化硅溶胶法作为制备ＳｉＯ２－ＺｎＯ纳米棒阵列复合涂层的方法；通过对溶胶的浓度、涂覆层数、烧结次数的调整可合理控制ＳｉＯ２薄膜涂层的厚度，从而实现对复合电极性能的调控。本发明专利技术通过涂覆氧化硅保护层来提高氧化锌纳米棒阵列电极在酸性染料中的耐腐蚀方法，制备出一种适用于基于酸性染料的染料敏化太阳能电池的ＳｉＯ２－ＺｎＯ纳米棒阵列复合阳极。具有性能稳定、耐酸性强、制备方法简单、成本低、效率高、面积可调范围广以及适合工业生产等许多优点。

【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 锌电极在进行染料敏化过程中被腐蚀损伤的方法，涉及一种高稳定性的染料敏化太阳能电 池电极的制备方法。
技术介绍
太阳能电池可分类为硅基太阳能电池、多元化合物材料太阳能电池、功能高分子 材料太阳能电池、染料敏化太阳能电池等。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。纳米级的Ti02、Zn0、Sn02等 半导体氧化物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。特别是近年来，人们发现准一维ZnO纳 米结构可以为电子传输提供直线传播路径，从而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。(M. Law，L. Ε. Greene, J. C. Johnson,R. Saykally,P. D. Yang, Nat. Mater. 4 (2005) 455 ；Z. Qin, Q. L. Liao, Y. H. Huang, L. D. Tang, X. 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)同时，准一维ZnO纳米材料的制备方法多样，且制备工 艺条件简单，可通过控合成反应获得大面积、形貌多样的ZnO纳米结构。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。想要获得高效的光电转换的性能的前提条件是，染料的能级与阳极半导体材料的 能级匹配情况以及它对太阳光谱的响应性能。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。这类染料在可见光区有较强的吸收，氧化还原性能可逆，氧化态稳定性高， 是性能优越的光敏化染料。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，而且会产生一种Zn27dye配合物。因此，基于ZnO纳米棒阵列的染料敏化 太阳能电池的转化效率的继续提高受到了一定的限制。目前，也有一些研究者试图通过表 面修饰手段来阻止酸性染料对基于ZnO纳米材料电池性能的降低，但是这些手段的改善效 果各异° (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 ；Y. J. Shin, K. S. Kim, N. G. Park, K. S. Ryu, S. H. Chang, Bull. Korean Chem. Soc. 26 (2005) 1929 ；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防止氧化锌纳米棒阵列电极在染 料浸泡中被腐蚀损伤的方法，制备出一种高稳定性的SiO2-ZnO纳米棒阵列复合染料敏化太 阳能电池阳极。该方法工艺简单、效率高、成本低，制备的复合电极抗染料腐蚀性强，面积可 调范围广，适合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具有强耐腐蚀性的SiO2-ZnO纳米棒阵列复合电极的制备方法。采用水热法在导电基底上制备了 ZnO纳米棒阵列；利用旋转涂覆法在 ZnO纳米棒阵列表面复合一层SiO2薄膜。选择适当的工艺参数来获得在敏化过程中耐酸性 强、电极性能优异的SiO2-ZnO纳米棒阵列复合电极。具体工艺步骤如下1.将等摩尔数的硝酸锌和六次甲基四胺溶解于去离子水中配制成浓度为0. 05 0. 2M反应溶液。2.将镀有100 200nm厚ZnO薄膜作为晶种层的导电基片作为生长基底，放入反 应溶液中在80 100°C下反应12 24小时。3.反应结束后，将基片取出。用去离子水反复冲洗后可以看到基片上形成了均勻 的半透明薄膜，此薄膜即为所制得的ZnO纳米棒阵列。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。5.取0. 1毫升的上述溶胶滴于已制得的ZnO纳米棒阵列表面。将旋转速度设置 为低速1000转/分、高速3000转/分。分别在低速档旋转5 10秒，在高速档旋转10 20秒。可重复上述涂覆步骤，直到获得所需的均勻涂层的参数要求。6.将上述旋涂好的电极放入箱式炉中，在400 800°C区间热处理30分钟至1小 时，并自然冷却至室温。此电极即为所制得的SiO2-ZnO纳米棒阵列复合电极。与现有技术相比，本专利技术所制备的基于ZnO染料敏化太阳能电池的制备方法有以 下优点1.通过采用氧化硅修饰层来防止氧化锌纳米棒阵列电极在酸性染料中浸泡时的 耐腐蚀性，有效抑制了 ZnO纳米棒阵列电极表面的腐蚀损伤及Zn27dye配合物的产生。2.采用旋涂溶胶法工艺简单，可获得表面均一、大面积的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， 获得耐酸性强且性能优异的复合电极。4.利用该复合电极组装的染料敏化太阳能电池的敏化性能得到了极大的稳定。 附图说明图1为本专利技术采用水热反应法制备的尺寸均一、取向性良好的ZnO纳米棒阵列形 貌的扫描电镜照片。图2为本专利技术采用旋转涂覆法制备的SiO2修饰的ZnO纳米棒阵列复合电极表面 形貌电镜照片。插图为复合电极的侧视扫描电镜照片。图3为本专利技术制备的SiO2修饰的ZnO纳米棒阵列复合电极的能谱分析。图4为本专利技术利用制备的大面积SiO2-ZnO纳米棒阵列复合电极在经过不同敏化 时间后组装成的染料敏化太阳能电池负载曲线。该曲线反应了本专利技术制备的复合电极在敏 化过程中具有着优异的抗腐蚀损伤性能。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.将等摩尔数的化学纯硝酸锌与六次甲基四胺溶解至去离子水中，配制成摩尔浓度为0. 05mol/L的反应溶液。2.选取5片勻胶法制备的镀有IOOnm厚ZnO薄膜作为晶种层的FTO导电玻璃切割 成2cmX 2cm大小作为生长基底，放入反应溶液中在95°C下密封生长24小时。3.反应结束后，先用去离子水将基片反复冲洗，烘干后可以看到基片上形成了均 勻的半透明白色薄膜，此薄膜即为所制得的ZnO纳米棒阵列。4.取浓度约为ll_13wt%的氧化硅溶胶，超声处理15分钟后，获得粘稠度适当的 胶状溶液。用滴管吸取上述氧化铝溶胶分别滴于5片ZnO纳米棒阵列电极表面。随后在 1000转/分的低速档旋转5秒，在3000转/分高速档旋转15秒。重复涂覆3次，可在ZnO 纳米棒阵列上获得表面均一的胶体层。5.将上述旋涂好的电极放入炉中在50本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＳｉＯ↓［２］－ＺｎＯ纳米棒阵列复合电极的制备方法，其特征在于，制备工艺步骤为：ａ．等摩尔数的硝酸锌和六次甲基四胺溶解于去离子水中配制成浓度为０．０５～０．２Ｍ的反应溶液；ｂ．将载有ＺｎＯ薄膜晶种层的导电基底作为生长基底，放入反应溶液中在８０～１００℃下反应１２～２４小时，从而获得ＺｎＯ纳米棒阵列电极；ｃ．将氧化硅溶胶超声处理１５分钟后，用旋转涂覆法将涂覆于ＺｎＯ纳米棒阵列电极表面，经过热处理后得到ＳｉＯ↓［２］－ＺｎＯ纳米棒阵列复合电极。

【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，张铮，
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]