SiO2修饰的ZnO纳米多孔薄膜复合电极的制备方法

摘要

本发明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。

权利要求

1.一种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，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SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极。

2.如权利要求1所述的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：氧化硅溶胶中氧化硅的含量为10～26wt％。

3.如权利要求1所述的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：旋转涂覆中的旋涂匀胶的工艺为在低速1000转/分下旋转5～10秒、在高速3000转/分下旋转10～20秒。

4.如权利要求1所述的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：步骤e.旋涂好的复合电极热处理温度在400～800°C区间，热处理时间为0.5～1小时。

说明书

SiO2修饰的ZnO纳米多孔薄膜复合电极的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于纳米材料技术领域，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。

背景技术

[0002] 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，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)

[0003] 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2+
量的Zn /dye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.E.Greene，A.Radenovic，T.Kuykendall，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.)。

发明内容

[0004] 本发明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。

[0005] 本发明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：

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 3.将ZnO纳米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。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。

[0009] 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，便可获得均匀的胶体涂层电极。根据不同敏化条件的参数要求，可选择多次涂覆。

[0010] 6.将步骤4所述旋涂好的电极放入箱式炉中，在400～800℃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。

[0011] 与现有技术相比，本发明所制备的基于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：

[0012] 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2+
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Zn /dye配合物的产生。

[0013] 2.采用旋涂溶胶法工艺简单，可获得表面均匀的SiO2薄膜涂层。

[0014] 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。

[0015] 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

[0016] 图1为本发明采用刮涂法制备的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、颗粒大小均匀。

[0017] 图2为本发明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。

[0018] 图3为本发明制备的SiO2修饰的ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极的EDS能谱分析。

[0019] 图4为本发明利用制备的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发明获得的复合电极具有着非常优异的耐腐蚀损伤性能。

具体实施方式

[0020] 下面结合实例对本发明的技术方案进行进一步说明：

[0021] 实例1

[0022] 1.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。

[0023] 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。

[0024] 3.将ZnO纳米浆料均匀涂覆在FTO导电玻璃上，干燥后在450℃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。

[0025] 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已制得的ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极表面。随后在1000转/分的低速档旋转10秒，在3000转/分高速档旋转15秒。可在ZnO纳米颗粒多孔薄膜上获得表面均一的胶体层的复合电极。

[0026] 5.将上述旋涂好的复合电极放入箱式炉中，在500℃下退火处理45分钟，冷却后即获得SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极。

[0027] 实例2

[0028] 1.将ZnO粉末充分研磨50分钟，然后在450摄氏度下热处理30分钟，最后自然冷却至室温。

[0029] 2.将上述处理过的ZnO粉末(2g)、松油醇(9mL)、乙基纤维素(1.0g)、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。

[0030] 3.将ZnO纳米浆料均匀涂覆在铝片上，干燥后在450℃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。

[0031] 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已制得的ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极表面。随后在1000转/分的低速档旋转10秒，在3000转/分高速档旋转15秒。可在ZnO纳米颗粒多孔薄膜上获得表面均一的胶体层的复合电极。

[0032] 5.将上述旋涂好的复合电极放入箱式炉中，在500℃下退火处理45分钟，冷却后即获得SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极。

[0033] 实例3

[0034] 1.将ZnO粉末充分研磨40分钟，然后在450摄氏度下热处理30分钟，最后自然冷却至室温。

[0035] 2.将上述处理过的ZnO粉末(2g)、松油醇(9mL)、乙基纤维素(1.5g)、酒精(100mL)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。

[0036] 3.将ZnO纳米浆料均匀涂覆在不锈钢片上，干燥后在450℃的箱式炉中烧结1小时，自然冷却后取出。重复涂覆2次，即可得到厚度约为30微米的ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极。

[0037] 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已制得的ZnO纳米颗粒多孔薄膜电极表面。随后在1000转/分的低速档旋转10秒，在3000转/分高速档旋转15秒。可在ZnO纳米颗粒多孔薄膜上获得表面均一的胶体层的复合电极。

[0038] 5.将上述旋涂好的复合电极放入箱式炉中，在600℃下退火处理45分钟，冷却后即获得SiO2-ZnO纳米颗粒多孔薄膜复合电极。