[发明专利]一种柔性光阳极材料、制备方法、装置及其应用

说明书

技术领域

本发明属于微纳米材料制备及应用领域，尤其涉及一种柔性光阳极材料、以及这种材料的制备方法、所使用的设备及其此种材料的应用。

 

背景技术

柔性染料敏化太阳能电池是继硅电池及薄膜电池之后的新一代太阳能电池，相对于硅电池及薄膜电池，它具有成本低，柔性，制备工艺简单，易大规模生产等优点。柔性染料敏化太阳能电池通常由柔性导电基底，半导体材料，染料，电解质这四部分组成，其中电解质并非必须。钛是一种性能优良的柔性导电基底，用于光阳极一端时，它表面形成的二氧化钛层可以有效降低暗电流，它优异的导电性能可以与目前染料敏化电池中常用的FTO（掺氟的二氧化锡）媲美，而且它耐电解液腐蚀；氧化锌拥有较宽的禁带，合适的能级位置，较快的电子迁移率，丰富的纳米结构，是一种优良的染料敏化半导体材料。因此，由氧化锌纳米结构及钛片组成的光阳极是一种非常有前景的具有高效光电转换能力的组合。另外，通过调控氧化锌纳米结构的形貌可以进一步提高光电转换效率。

氧化锌枝状结构具有比表面积较大，载流子迁移快，缺陷复合少等特点，是一种非常有前景的高效半导体结构。目前枝状结构氧化锌已获得了最高5.2%的光电转换效率。不过目前获得枝状结构氧化锌的制备方法通常采用多步液相法，该方法存在步骤复杂，容易引入污染，后续溶剂去除麻烦等问题，为枝状结构氧化锌材料在柔性染料敏化太阳能电池方面的更好应用，继续一种新的制备工艺。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，现有技术制备染料敏化太阳能电池光阳极中氧化锌枝状结构材料的步骤复杂，本发明提供一种新的一步气相沉积氧化锌枝状结构于钛片上的方法，实现柔性光阳极的制备。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案如下。

一种柔性光阳极材料的制备方法，该方法以钛片为基底、以锌粉为原料、以氧气为反应气体、氩气为载气，通过化学气相沉积法在钛片上沉积多枝状纳米氧化锌，从而获得由氧化锌和钛片组成的柔性光阳极。

所述制备方法的优选方案为，该方法将锌粉及钛片同时置于一个一端开口的小试管中，进行化学气相沉积，反应条件为，以20-50℃/分的升温到550-750℃后，到温后保温20-50分钟，充入氩气和氧气，其中氩气的体积流量为50-300 sccm (标况平方厘米每分钟)，氧气的体积流量为0.5-3 sccm。

所述制备方法的优选方案为，所述化学气相沉积的工艺为，在常压下，以30-40℃/分的升温到600-700℃后，到温后保温30-40分钟，充入氩气和氧气，其中氩气的体积流量为100-200 sccm(标况平方厘米每分钟)，所述氧气的体积流量为0.5-2 sccm。

所述制备方法的优选方案为，所述化学气相沉积法是将锌粉及钛片同时置于一个一端开口的小试管中，将小试管置于石英管中，并向该石英管中通入氩气和氧气的混合气体，同时采用管式炉进行加热；所述锌粉与钛片在小试管中的距离为2~3cm。

所述制备方法的优选方案为，所述钛片经氢氟酸腐蚀和砂纸打磨后，放于小试管中，进行化学气相沉积。

本发明还涉及上述制备方法所用的装置，所述设备包括氩气源、氧气源、气体流量控制系统以及加热炉，其特征在于，所述氩气源、氧气源同时与气体流量控制系统相连，此系统的出气口与石英管连接，石英管放置于加热炉中，将装有锌粉和钛片的试管放于石英管中完成化学气相沉积。

本发明还涉及上述制备方法制得的柔性光阳极材料，所述柔性光阳极由氧化锌和钛片组成，氧化锌为多枝状纳米结构。

所述柔性光阳极材料的优选方案为，所述光阳极的厚度为140~180微米，其中钛片厚度为90~110微米，钛片上沉积的氧化锌层厚度为50~70微米；光阳极经过60次以下的弯折依然完好无损。

本发明还涉及上述柔性光阳极材料的应用，所述光阳极可用于柔性染料敏化太阳能电池。

所述光阳极材料应用的优选方案为，所述柔性染料敏化太阳能电池可获得3%以上的光电转换效率。

本发明相对于现有技术的有益效果是，化学气相沉积法具有产物纯净，结晶性高，反应迅速，操作简便等优点，是一种优良的制备多枝状氧化锌纳米结构的方法；此方法相对于目前制备枝状氧化锌结构的最常用的水热法来讲，化学气相沉积产物纯净，不像水热法会引入许多其他元素杂质；由于是高温反应，相对于低温水热法材料的结晶性也较好；反应时间较短，快至几分钟就可以完成反应，而水热法反应通常要几个小时以上。

附图说明

图1为本发明所用化学气相沉积装置的示意图；