本發(fā)明涉及能源材料技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種ZnO基染料敏化太陽能電池光陽極膜的制備方法及其制得的光陽極膜。
背景技術(shù):
染料敏化太陽能電池具有價格低廉、環(huán)境友好、制作簡單等優(yōu)點,已成為第三代太陽能電池的代表。染料敏化太陽能電池由染料敏化光陽極膜、對電極和電解質(zhì)三個部分組成,其中光陽極膜是電池中的核心部件。
目前,光陽極膜主要是納米晶的TiO2膜。由于ZnO具有和TiO2相似的禁帶寬度和電子親和性,并且ZnO的電子擴散系數(shù)要強于TiO2,因此ZnO作為染敏電池的光陽極膜材料一直被人們寄予厚望。此外,由于ZnO晶體的生長具有各向異性以及合成ZnO晶體的方法多種多樣,因此相對于TiO2來說,ZnO更易于合成出多種不同形貌的納米結(jié)構(gòu),比如線狀、片狀、棒狀等。而ZnO納米粉,因其擁有大的比表面積和較好的光散射性能,可以吸附更多的染料,同時能夠增加光的吸收率,因此基于ZnO納米粉光陽極膜的電池其光電轉(zhuǎn)化效率較高。然而,現(xiàn)有技術(shù)基于ZnO納米粉制備染敏電池光陽極膜,普遍存在著工藝復雜、成本高、可控性和重復性差等問題,難以制備大面積的光陽極膜,推廣應用困難。因此,急需研究開發(fā)新型的ZnO納米粉光陽極膜的制備方法,以利于推廣應用和工業(yè)化的實現(xiàn)。
技術(shù)實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提供一種基于ZnO納米粉光陽極膜的制備方法,通過將金屬有機框架ZIF-8煅燒得到ZnO納米粉,進而制取ZnO漿料并將其刮涂于導電基底表面制備得到光陽極膜,從而以工藝簡單、可控性和重復性強的制備方法獲得大面積的光陽極膜,以利于推廣應用和工業(yè)化的實現(xiàn)。本發(fā)明的另一目的在于提供利用上述制備方法制得的光陽極膜。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
本發(fā)明提供的一種基于ZnO納米粉光陽極膜的制備方法,包括以下步驟:
(1)將金屬有機框架ZIF-8煅燒而得到ZnO納米粉;
(2)所述ZnO納米粉均勻分散于由乙基纖維素、松油醇和乙醇溶劑組成的混合溶液中,經(jīng)振蕩和超聲后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),得到ZnO漿料;
(3)所述ZnO漿料涂覆在導電基底表面,加熱后經(jīng)煅燒,即制得附著于導電基底上、由ZnO納米粉組成的光陽極膜。
進一步地,本發(fā)明所述步驟(1)中煅燒溫度為450~750℃;所述ZnO納米粉的粒徑為30~100nm。
進一步地,本發(fā)明所述步驟(2)中乙基纖維素為10cp乙基纖維素和46cp乙基纖維素;所述10cp乙基纖維素、46cp乙基纖維素、松油醇在乙醇溶劑中的質(zhì)量體積濃度分別為0.1~0.5g/cm3;所述ZnO納米粉在混合溶液中所占的質(zhì)量百分比濃度為1~10wt%。所述步驟(2)中振蕩的時間為5~10min;超聲的時間為20~40min;振蕩和超聲的循環(huán)次數(shù)為3~5次;所述旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)的溫度為70~80℃,時間為25~60min。
進一步地,本發(fā)明所述步驟(3)中ZnO漿料涂覆在導電基底表面的厚度為7~35μm;加熱溫度為80~120℃;煅燒溫度為350~450℃。
上述方案中,本發(fā)明所述金屬有機框架ZIF-8的制備為:將六水硝酸鋅和2-甲基咪唑分別溶解于甲醇溶劑中攪拌均勻,分別得到六水硝酸鋅甲醇溶液和2-甲基咪唑甲醇溶液;然后將所述六水硝酸鋅甲醇溶液倒入2-甲基咪唑甲醇溶液中,室溫下攪拌反應后進行離心、洗滌、干燥,得到金屬有機框架ZIF-8。
進一步地,本發(fā)明所述六水硝酸鋅甲醇溶液中六水硝酸鋅的摩爾濃度為9~30mM,2-甲基咪唑甲醇溶液中2-甲基咪唑的摩爾濃度為72~240mM。所述反應的時間為1~3h;干燥溫度為50~70℃。
本發(fā)明的另一目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
利用上述制備方法制得的光陽極膜,所述光陽極膜的厚度為7~35μm,所述ZnO納米粉的粒徑為30~100nm。
本發(fā)明具有以下有益效果:
(1)本發(fā)明具有制備工藝簡單、膜厚可控、粉直徑可調(diào)、成本低、可大面積制膜等特點,可控性和重復性強,適用于制備大面積的光陽極膜,有利于推廣應用和工業(yè)化的實現(xiàn)。
(2)本發(fā)明以六水硝酸鋅和2-甲基咪唑為原料,室溫下得到金屬有機框架ZIF-8,反應條件溫和,經(jīng)煅燒后得到的ZnO納米粉用于染料敏化太陽能電池光陽極膜的制備,所得到的光陽極膜比表面積大,具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。
附圖說明
下面將結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述:
圖1是本發(fā)明實施例一所制得ZnO光陽極膜的場發(fā)射掃描電鏡表面照片;
圖2是本發(fā)明實施例一所制得ZnO光陽極膜的場發(fā)射掃描電鏡斷面照片;
圖3是本發(fā)明實施例制得的ZnO光陽極膜組裝成的染料敏化太陽能電池的光電流-電壓曲線圖。
具體實施方式
本發(fā)明實施例一種基于ZnO納米粉光陽極膜的制備方法,采用摻氟的氧化錫導電玻璃(FTO)或是氧化銦錫導電玻璃(ITO)作為導電基底。
實施例一:
本實施例一種基于ZnO納米粉的光陽極膜的制備方法,其步驟如下:
(1)將金屬有機框架ZIF-8煅燒而得到ZnO納米粉
(1-1)金屬有機框架ZIF-8的制備:稱取2.93g六水硝酸鋅和6.49g 2-甲基咪唑分別置于兩個燒杯中,分別加入200mL甲醇,磁力攪拌溶解,得到六水硝酸鋅摩爾濃度為9.85mM的六水硝酸鋅甲醇溶液、2-甲基咪唑摩爾濃度為79.05mM的2-甲基咪唑甲醇溶液;然后將六水硝酸鋅甲醇溶液迅速倒入2-甲基咪唑甲醇溶液中,在室溫條件下磁力攪拌反應1h,反應結(jié)束后,離心處理并用甲醇洗滌3次、在50℃溫度下干燥,得到金屬有機框架ZIF-8;
(1-2)將金屬有機框架ZIF-8碾磨后在500℃溫度下煅燒,升溫速率為8℃/min,保溫時間為5h,得到ZnO納米粉;
(2)ZnO漿料的制備
將2.8g乙基纖維素(46cp)、2.2g乙基纖維素(10cp)和3g松油醇充分溶解于10mL乙醇中而形成混合溶液;稱取1g ZnO納米粉并倒入上述混合溶液中,振蕩5min后超聲20min,重復該過程4次使ZnO納米粉在混合溶液中分散均勻;然后在75℃溫度下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)30min后得到ZnO漿料;
(3)ZnO光陽極膜的制備
采用刮刀法刮涂4層膠帶厚度的ZnO漿料至FTO基底表面,在120℃加熱板上加熱5min后放入電爐中煅燒,先以8℃/min的升溫速率升至350℃,保溫1h后以8℃/min的升溫速率升至450℃,保溫30min后自然降溫,即制得附著于導電基底上、由ZnO納米粉組成的光陽極膜。
如圖1所示,本實施例ZnO納米粉的粒徑大小為50nm。如圖2所示,本實施例光陽極膜的厚度為30μm,膜厚可隨膠帶層數(shù)的增加而增大;并且光陽極膜是由ZnO納米粉構(gòu)成。
實施例二:
本實施例一種基于ZnO納米粉的光陽極膜的制備方法,其步驟如下:
(1)將金屬有機框架ZIF-8煅燒而得到ZnO納米粉
(1-1)金屬有機框架ZIF-8的制備:稱取5.86g六水硝酸鋅和12.98g 2-甲基咪唑分別置于兩個燒杯中,分別加入200mL甲醇,磁力攪拌溶解,得到六水硝酸鋅摩爾濃度為19.70mM的六水硝酸鋅甲醇溶液、2-甲基咪唑摩爾濃度為158.10mM的2-甲基咪唑甲醇溶液;然后將六水硝酸鋅甲醇溶液迅速倒入2-甲基咪唑甲醇溶液中,在室溫條件下磁力攪拌反應1h,反應結(jié)束后,離心處理并用甲醇洗滌3次、在60℃溫度下干燥,得到金屬有機框架ZIF-8;
(1-2)將金屬有機框架ZIF-8碾磨后在550℃溫度下煅燒,升溫速率為8℃/min,保溫時間為5h,得到ZnO納米粉;
(2)ZnO漿料的制備
將2.8g乙基纖維素(46cp)、2.2g乙基纖維素(10cp)和3.5g松油醇充分溶解于10mL乙醇溶劑中而形成混合溶液;稱取1.2g ZnO納米粉并倒入上述混合溶液中,振蕩5min后超聲20min,重復該過程4次使ZnO納米粉在混合溶液中分散均勻;然后在70℃溫度下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)50min后得到ZnO漿料;
(3)ZnO光陽極膜的制備
采用刮刀法刮涂4層膠帶厚度的ZnO漿料至FTO基底表面,在100℃加熱板上加熱5min后放入電爐中煅燒,先以8℃/min的升溫速率升至350℃,保溫1h后以8℃/min的升溫速率升至450℃,保溫30min后自然降溫,即制得附著于導電基底上、由ZnO納米粉組成的光陽極膜。
實施例三:
本實施例一種基于ZnO納米粉的光陽極膜的制備方法,其步驟如下:
(1)將金屬有機框架ZIF-8煅燒而得到ZnO納米粉
(1-1)金屬有機框架ZIF-8的制備:稱取8.80g六水硝酸鋅和12.98g 2-甲基咪唑分別置于兩個燒杯中,分別加入200mL甲醇,磁力攪拌溶解,得到六水硝酸鋅摩爾濃度為29.58mM的六水硝酸鋅甲醇溶液、2-甲基咪唑摩爾濃度為237.15mM的2-甲基咪唑甲醇溶液;然后將六水硝酸鋅甲醇溶液迅速倒入2-甲基咪唑甲醇溶液中,在室溫條件下磁力攪拌反應1h,反應結(jié)束后,離心處理并用甲醇洗滌3次、在70℃溫度下干燥,得到金屬有機框架ZIF-8;
(1-2)將金屬有機框架ZIF-8碾磨后在600℃溫度下煅燒,升溫速率為8℃/min,保溫時間為5h,得到ZnO納米粉;
(2)ZnO漿料的制備
將2.8g乙基纖維素(46cp)、2.2g乙基纖維素(10cp)和4g松油醇充分溶解于10mL乙醇溶劑中而形成混合溶液;稱取1.5g ZnO納米粉并倒入上述混合溶液中,振蕩5min后超聲20min,重復該過程4次使ZnO納米粉在混合溶液中分散均勻;然后在80℃溫度下旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)25min后得到ZnO漿料;
(3)ZnO光陽極膜的制備
采用刮刀法刮涂4層膠帶厚度的ZnO漿料至FTO基底表面,在80℃加熱板上加熱5min后放入電爐中煅燒,先以8℃/min的升溫速率升至350℃,保溫1h后以8℃/min的升溫速率升至450℃,保溫30min后自然降溫,即制得附著于導電基底上、由ZnO納米粉組成的光陽極膜。
采用本發(fā)明實施例所制得的光陽極膜,按照以下方法制成染料敏化太陽能電池:
將煅燒后冷卻至室溫的ZnO光陽極膜,在0.05mM N719染料中室溫浸漬2h,取出光陽極膜用無水乙醇沖洗表面的N719染料,然后將烘干后吸附了N719染料的光陽極膜與熱解鉑的FTO對電極組成開放式的三明治結(jié)構(gòu)電池。在光陽極膜和對電極之間滴加電解液,電解液的組成為0.6M 1-丁基-3-甲基咪唑碘鹽、0.06M LiI、0.03M I2、0.5M 4-叔丁基吡啶以及0.1M異硫氰酸胍的乙腈溶液。測試后得到的J-V曲線如圖3中所示,計算后得到電池的光電轉(zhuǎn)換效率為2.85%,表明本發(fā)明實施例制備的ZnO光陽極膜適用于染料敏化太陽能電池。