一種多孔微/納分級結構ZnO球製備方法和用途的製作方法

2023-06-04 03:55:01 1

專利名稱：一種多孔微/納分級結構ZnO球製備方法和用途的製作方法
技術領域：
本發明涉及ー種多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法以及做為染料敏化電池 (DSSC)光電極的應用，屬於新材料技術領域。
背景技術：
隨著能源危機與環境汙染問題越來越嚴重，社會各界對能源消耗的可持續性發展日益重視，尤其引起了各國政府對清潔的、可再生能源的關注和青睞，新型能源成為國際學術界和各國研究、開發的重點。太陽能作為ー種可再生能源，具有其它能源不可比擬的優點，取之不盡、用之不竭、安全、無汙染、不受地理條件的限制等，使其成為新能源發展的主要方向之一
近年來，人們發展了一種新穎的太陽能電池——染料敏化太陽能電池(DSSC)。它的製備エ藝簡單、原材料來源豐富、成本低廉，具有更高的市場前景及推廣普及價值，被譽為第三代太陽能電池。因此，染料敏化太陽能電池也被認為是有可能成為未來太陽能電池的主導。染料敏化太陽能電池屬於光電化學電池，其結構主要可以分為3部分負極(工作電扱)、電解質和對電扱。在導電基底上製備ー層納米晶氧化物半導體膜，然後再將染料分子吸附在半導體膜中，這樣就構成負極(cathode)，即工作電極。正極(anode) —般是沉積鉬的導電玻璃。電解質介於正極和負極之間，且包含氧化還原電對，最常用的氧化還原電對是 I3VFo將工作電極和對電極組裝成電池注入電解質後，從電極引出導線接到負載上產生電壓和電流。但是，該電池目前還面臨著光電轉換效率較低的問題，其主要原因為(I)無孔的納米晶不利於電解質在薄膜中傳輸。(2)薄膜的散射能力較弱，導致光子和染料的結合效率較差。因此，在染料敏化太陽電池的製備中需要(I)合成多孔的結構，有利於電解質在膜中的傳輸；(2)合成特殊的微結構，增強光的散射能力。綜上所述，開發具有多孔結構的微/納分級結構ZnO球對提高染料敏化太陽電池的光電轉化效率具有重要的意義。

發明內容
本發明的目的在於提供一種製備多孔微/納分級結構ZnO球方法，本發明的目的還在於提供ー種多孔微/納分級結構ZnO球的用途，所製得的產品以其獨特的形貌有利於電解質在薄膜中的傳輸，光的散射，提高了 DSSC的光電轉化率。本發明提出一種製備多孔微/納分級結構ZnO球方法，以水為溶劑在120°C的較低溫度下進行反應，主要原理如下
5Zn2 + +2C0 (NH2) 2 + 60H> 4H20 = Zn5 (OH) 6 (CO3) 2+ 4NH4 +
Zn5(OH)6(CO3)2= ZnO + 4H20 + CO2 t
本發明的技術方案是製備多孔微/納分級結構ZnO球方法，首先將六水硝酸鋅、尿素加入水中，分散均勻；放入高壓釜在10(Tl80°C下反應，其中，六水硝酸鋅尿素的摩爾比為1:3 1:6，反應時間為1飛小時；然後放置到室溫，依次洗滌，乾燥，過濾以得到沉澱；
所得沉澱經煅燒(在馬弗爐中煅燒)。在30(T500°C下煅燒3(T60分鐘，得到多孔微/納分級結構的ZnO球；作為優選方案，所述六水硝酸鋅尿素的摩爾比為1:3，所述反應時間為2-4h，煅燒溫度為500°C，煅燒時間為30分鐘。尤其是放入高壓釜在115 125°C下反應3h。多孔微/納分級結構的ZnO球的應用，其特徵是將製備的多孔微/納分級結構ZnO 球做為DSSC光電極室溫條件下，將無水こ醇和0. Ig多孔微/納分級結構ZnO球在研缽中研磨至漿狀，將漿狀的ZnO轉移到ー個50ml的燒杯中，攪拌10分鐘，超聲10分鐘；加入 2克無水松油醇和4g的こ基纖維素後，攪拌、超聲各10分鐘；38°C條件下旋蒸至成膠狀物； 清洗氟摻雜的氧化錫FTO導電玻璃，用刮塗法將所制膠狀物塗於FTO製成厚度為100 ii m的薄膜；在125°C空氣中乾燥2小時，在450°C下退火15分鐘，500°C下燒結15分鐘，薄膜浸入 N719こ醇電解液溶液浸泡2-5小時後，製成DSSC光電極。本發明的有益效果是該方法以水為溶劑在低至120°C的較低溫度下進行反應， 降低了生產成本並且有利環境保護。本發明多孔微/納分級結構ZnO球的用途(I)制膠後將其塗於導電玻璃(FTO)上，泡入染料中一定時間後，做成染料敏化太陽能電池的光電極，有較高的光電轉化效率。與傳統的合成法相比本發明具有以下明顯優點(I)該合成過程只用到了廉價且無毒害的水作為溶劑，不僅保護環境，而且易於回收利用，成本大幅度降低。(2)該過程只涉及到溶解、過濾、及攪拌等常規單元操作，一般實驗室均可操作，也易於實現エ業化生產。(3)本發明所製備的多孔微/納分級結構ZnO球，是納米級的多孔片狀 ZnO組裝成球形，這種結構更利於電解液的傳輸，光的散射，從而提高了 DSSC的光電轉換效率。在光電轉化領域具有大的應用潛力。


圖I是本發明實施例I的XRD圖。
圖2是本發明實施例I產品的掃描電鏡圖。
圖3是本發明實施例I產品的透射電鏡圖。
圖4是本發明實施例2產品的SEM圖。
圖5是本發明實施例3產品的SEM圖。
圖6是本發明中產品的XRD圖。
圖7是本發明對比例I產品的SEM圖。
圖8是本發明對比例2產品的SEM圖。
圖9是本發明對比例3產品的SEM圖。
圖10是本發明對比例4產品的SEM圖。
圖11是多孔微/納分級結構ZnO球做為DSSC光電極時IPCE和波長關係曲線圖。
圖12是多孔微/納分級結構ZnO球做為DSSC光電極時I-V關係曲線圖。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明進ー步說明。實施例I(1)將0.4mol六水硝酸鋅、I. 2mol尿素加入30ml水中，採用磁力攪拌0. 5 lh,得到無
色清液；
(2)將無色清液倒入50ml聚四氟こ烯內襯的不鏽鋼高壓反應釜中，升溫至120°C，反應3h，反應完後隨爐冷卻；
(3)將反應產物離心分離，得到固體粉末，接著用蒸餾水洗滌，然後在60°C下乾燥 6 24h，放入馬弗爐中500° C下煅燒30分鐘後，得到白色的多孔微/納分級結構ZnO球。採用X射線光衍射(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)對產品進行分析。圖I是實施例I產品的XRD圖，結果表明本實施例I產品是ZnO，沒有任何雜質。圖2為實施例I產品的SEM圖，從圖中可知，實施例I中ZnO球由多孔的ZnO片組裝而成。ZnO球的直徑為4 5 ii m,大小均勻。圖3為實施例I廣品的TEM圖，從圖中可以看出，ZnO片上的孔的直徑大約為 30 50nm。實施例2
步驟與實例I基本相同，不同之處在於六水硝酸鋅尿素的摩爾比為1:6。製得的產品與實施例I基本一致，其掃描電鏡圖如圖4所示，但ZnO片較為稀疏。實施例3
步驟與實例I基本相同，不同之處在於反應時間為6小吋。製得的產品與實施例I基本一致，其掃描電鏡圖如圖5所示，但ZnO球的直徑較實例I稍大，且大小不太均勻。對比例I
步驟與實例I基本相同，不同之處在於反應時間為I小吋。產品的XRD譜圖見圖6 (a)，該產品為ZnO。圖I為產物的掃描電鏡圖片，組成ZnO球的ZnO片較為稀疏，且球的大小不太均勻。對比例2
步驟與實例I基本相同，不同之處在於反應溫度為100°c。產品的XRD圖見圖6(b)， 其成分為ZnO。該產品的掃描電鏡圖片如圖8所示，其形貌為納米片組裝成的納米花，納米片的長為8 10 u m,寬為4 5 u m。對比例3
步驟與實例I基本相同，不同之處在於反應溫度為180°C。產品的XRD圖見圖6(c)， 其成分為ZnO。該產品的掃描電鏡圖片如圖9所示，其形貌為多孔納米片。對比例4
步驟與實例I基本相同，不同之處在於未在馬弗爐中煅燒。產品的XRD圖見圖6 (d)，其成分為Zn5(OH)6(CO3)20該產品的掃描電鏡圖片如圖10所示，產物形貌是無孔的納米片組成的球。應用例以實施例I製備的多孔微/納分級結構ZnO球做為DSSC光電極，測其光電轉化效率， 具體為室溫條件下，將無水こ醇和0. Ig多孔微/納分級結構ZnO球在研缽中研磨至無大的團聚為止。將漿狀的ZnO轉移到ー個50ml的燒杯中，攪拌10分鐘，超聲10分鐘。加入2 克無水松油醇和4g的こ基纖維素後，攪拌、超聲各10分鐘。38°C條件下旋蒸至成膠狀物。依次用洗滌劑，稀鹽酸溶液，氫氧化鉀、こ醇溶液和去離子水在超聲清洗機中清洗氟摻雜的氧化錫(FTO)導電玻璃(15 Q/sq)。用刮塗技術將所制膠狀物塗於FTO製成厚度為100 ii m的薄膜。在125 °C空氣中乾燥2小時，在450°C下退火15分鐘，500°C下燒結15 分鐘。當溫度降至80°C時，薄膜浸入N719こ醇電解液溶液。浸泡4小時後，進行測試。得到的I-V關係如圖12所示。結果表明，多孔微/納分級結構ZnO球做為DSSC光電極，具有較高的光電轉化效率。
權利要求
1.多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵是步驟如下將六水硝酸鋅、尿素加入水中，分散均勻；放入高壓釜在10(Tl80°C下反應，其中，六水硝酸鋅尿素的摩爾比為 1:3 1:6，反應時間為廣6小時；然後放置到室溫，依次洗滌，乾燥，過濾以得到沉澱；所得沉澱經煅燒，在30(T500°C下煅燒3(Γ60分鐘，得到多孔微/納分級結構的ZnO球。
2.根據權利要求1所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵是所述六水硝酸鋅尿素的摩爾比為1:3。
3.根據權利要求1或2所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵是放入高壓釜在115 125°C下反應3h。
4.根據權利要求1或2所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵是所述500°C下，在馬弗爐中煅燒30分鐘。
5.按權利要求1或2或3或4所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵在於將六水硝酸鋅、尿素加入水中後，磁力攪拌O. 5^1h以分散均勻。
6.按權利要求1或2或3或4所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵在於離心分離後，採用水對產品洗滌。
7.按權利要求1或2或3或4所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，其特徵在於採用烘箱乾燥，乾燥溫度為60°C，時間為8 24h。
8.按權利要求1或2或3或4所述的多孔微/納分級結構的ZnO球的應用，其特徵是將製備的多孔微/納分級結構ZnO球做為DSSC光電極室溫條件下，將無水乙醇和O. Ig多孔微/納分級結構ZnO球在研缽中研磨至漿狀，將漿狀的ZnO轉移到一個50ml的燒杯中， 攪拌10分鐘,超聲10分鐘；加入2克無水松油醇和4g的乙基纖維素後,攪拌、超聲各10分鐘；38°C條件下旋蒸至成膠狀物；清洗氟摻雜的氧化錫FTO導電玻璃，用刮塗法將所制膠狀物塗於FTO製成厚度為100 μ m的薄膜；在125°C空氣中乾燥2小時，在450°C下退火.15分鐘，500°C下燒結15分鐘，薄膜浸入N719乙醇電解液溶液浸泡2_5小時後，製成DSSC光電極。
全文摘要
本發明涉及一種多孔微/納分級結構的ZnO球的製備方法，步驟如下將六水硝酸鋅、尿素加入水中，分散均勻；放入高壓釜在100~180℃下反應，其中，六水硝酸鋅尿素的摩爾比為1:3~1:6，反應時間為1~6小時；然後放置到室溫，依次洗滌，乾燥，過濾以得到沉澱；所得沉澱經煅燒，在300~500℃下煅燒30~60分鐘，得到多孔微/納分級結構的ZnO球。本發明所製備的多孔微/納分級結構ZnO球的形貌是納米級的多孔片狀ZnO片組裝成球形，這種結構更利於電解液的傳輸，光的散射，從而提高了DSSC的光電轉換效率。
文檔編號H01G9/042GK102583506SQ20121005380
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月2日 優先權日2012年3月2日
發明者周勇, 李政道, 鄒志剛 申請人:南京大學崑山創新研究院