[发明专利]采用脉冲电磁场制备Al掺杂ZnO纳米片阵列的方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种采用脉冲电磁场制备Al掺杂ZnO纳米片阵列的方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSSC)是一种新型的太阳能电池，具有价格低廉、制作工艺简单和环境友好等优点，有望成为新一代太阳电池的主导。根据直线传输理论，电子在垂直于导电基底的单晶阵列结构中传输具有极高的传输速率和最低损耗，能够减少电子传输时间，有利于提高电池转化效率。因此，高垂直度一维ZnO纳米结构阵列作为光阳极材料是太阳能染料敏化电池的主要研究方向。

目前，合成ZnO纳米结构阵列的方法主要有热蒸发法、碳热还原法、脉冲激光沉积法和水热法等。热蒸发法主要采用ZnO作为原料，直接加热蒸发到衬底上形成纳米结构阵列，该方法一般需要较高的温度，合成能耗较大。碳热还原法也属于热蒸发法的一种，该方法虽然降低了合成温度，但是在合成过程中常引入杂质碳，对纳米结构的电学性能影响较大。脉冲激光沉积法所需设备昂贵，不适合生产大面积ZnO纳米结构阵列。水热法由于反应在水溶液中进行，反应温度较低，设备简单，便于自动化生产，适合大规模生产而备受重视，但是该方法所得产物阵列垂直度低，排列不整齐等问题。

一维ZnO纳米结构的形貌较多，而目前最多的是纳米棒阵列，但纳米棒的生长长径比（长度与直径的比值）和密度具有一定的限制，因此ZnO纳米棒阵列作为光阳极不利于染料的吸附，影响光电转换效率。ZnO纳米片阵列由于片结构的厚度更薄，具有更大的比表面积，有利于染料的吸附，有利于提高光电转换效率。然而，对于ZnO纳米片结构的形貌难控制，存在有序度较低，高度/厚度比值较小等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用脉冲电磁场制备Al掺杂ZnO纳米片阵列的方法，该方法操作简单、能耗低，所得纳米片阵列垂直度好、排列整齐、电学性能好。

本发明的技术解决方案是：

采用脉冲电磁场技术制备Al掺杂ZnO纳米片阵列的方法，其特殊之处是：

1、将FTO导电玻璃片放入温度为75~85℃的超声波清洗器中清洗4~6min后，取出用去离子水漂洗，在真空干燥箱中干燥4~6h；

2、用乙二醇甲醚作为溶剂将乙酸锌、乙醇胺配制混合溶液I，其中，乙酸锌与乙醇胺、乙二醇甲醚的体积比分别为1：1~1：1.5、1：7.5~1：8；

3、将配制的混合溶液I滴到导电玻璃片上并涂覆均匀进行镀膜，所述的混合溶液滴加量与导电玻璃片面积的关系为0.25～1ml/100mm²，将涂覆有混合溶液的FTO导电玻璃片置于管式加热炉中，加热到300~340℃，保温15~20min，冷却至室温；

4、重复第三步3~5次，在FTO导电玻璃片上即得到ZnO薄膜；

5、将硝酸铝、硝酸锌和六次甲基四胺加入去离子水中配制浓度为0.04~0.05mol/L的混合溶液II，其中，硝酸铝与硝酸锌、六次甲基四胺的摩尔比分别为1：32～1：99、1：33～1：100，将涂覆ZnO薄膜的FTO导电玻璃片放入反应釜内，将配制的混合溶液II注入反应釜中，注入量为反应釜容积的60%～70%；

6、用脉冲电磁场装置对反应釜中的反应体系施加脉冲电磁场处理，脉冲时间为1~3min，脉冲电压为600~700V，脉冲频率为6~9Hz，处理后将反应釜移入恒温箱进行水热合成反应，温度为95~100℃，时间为5~6h，降温至室温后取出FTO导电玻璃片，用去离子水冲洗掉玻璃表面的白色沉淀物，放入恒温干燥箱中80~90℃保温3-5h，即得Al掺杂ZnO纳米片阵列。

所述硝酸铝与硝酸锌、六次甲基四胺的摩尔比分别为1：32～1：49、1：33～1：50。

混合溶液II注入反应釜时，用玻璃棒引流。

所述反应釜内胆材料为聚四氟乙烯，外胆材料为不锈钢，电磁线圈缠绕在反应釜内胆上，使脉冲电磁场对的混合溶液II作用效果更强。

脉冲电磁场处理时，脉冲时间为2min，脉冲电压为650V，脉冲频率为7Hz。

本发明基于脉冲电磁场具有的间歇式、能量密度高的特点以及外场和原子团簇之间的交互作用，采用脉冲电磁场制备Al掺杂ZnO纳米片阵列的方法，该方法具有以下优点：

1、在ZnO中掺Al金属离子，Al作为施主掺杂元素不仅可以降低ZnO的电阻，增加电子传输能力，同时可以减小ZnO的禁带宽度，增加太阳光的吸收；

2、Al掺杂ZnO纳米片的取向一致，垂直度较高，纳米片排列整齐，比表面积大，作为光阳极时，有利于电子传输，从而提高染料敏化太阳能电池效率；