一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法及其制得的薄膜技術

本發明專利技術公開了一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，首先將二水乙酸鋅溶解于甲醇溶液中，并將溶液攪拌均勻，得到二水乙酸鋅甲醇溶液；然后將二水乙酸鋅甲醇溶液進行預熱，至溶液達到過飽和出現渾濁時，將其吸出倒入另一個已預先放置導電基底的容器中，在密封情況下進行恒溫反應，反應溫度≤60℃；反應結束后，經清洗、干燥、煅燒，即制得附著于導電基底上的ZnO納米片薄膜。此外還公開了利用上述制備方法制得的薄膜。本發明專利技術以二水乙酸鋅和甲醇為原料，在導電基底上原位合成得到具有多級結構、呈無序堆積的ZnO納米片薄膜，能夠有效提高光電轉換效率；而且制備工藝簡單、反應溫度低、成本低，具有簡單易行、易工業化、可大面積制膜、薄膜可控等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及納米材料薄膜
，尤其涉及一種ZnO納米片薄膜的制備方法及其制得的薄膜。
技術介紹
氧化鋅(ZnO)作為一種優良的寬禁帶直接帶隙半導體材料，在壓敏材料、壓電材料、氣體傳感器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、高效催化劑等方面得到廣泛的應用。目前已可合成獲得多種不同形貌的ZnO納米材料，如ZnO納米顆粒、ZnO納米棒、ZnO納米線、ZnO納米帶、ZnO納米晶須、ZnO納米球和ZnO納米片等。二維結構的ZnO納米片具有較大的徑厚比、較大的比表面積，有利于吸光、且更易于懸浮和分離，在太陽能電池和光催化領域具有很好的應用前景。在染料敏化太陽能電池方面，由于具有多級結構的ZnO納米片具有較大的比表面積和良好的孔隙通道，有利于增加染料吸附量、電解質的擴散和電子的傳輸，因此有利于染料敏化太陽能電池效率的提高。目前，現有技術制備ZnO納米片薄膜的主要方法有電化學沉積法和化學浴沉積法，其中電化學沉積法獲得的薄膜較薄，厚度一般小于10μm。這兩種方法所制得的ZnO納米片均是垂直導電基底有序定向生長的。在染料敏化太陽能電池方面，盡管垂直導電基底的ZnO納米片是一種具有潛力的光陽極，但目前的制備方法仍難以解決所制備膜不均勻、納米片在導電基底排列稀疏的問題，使得光電轉換效率仍不理想。為此，有必要研究開發一種新型的、光電性能優良的ZnO納米片薄膜，以滿足染料敏化太陽能電池的應用需求，同時促進ZnO納米片薄膜技術的發展。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的不足，提供一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，以二水乙酸鋅和甲醇為原料，在導電基底上原位合成得到具有多級結構、呈無序堆積的ZnO納米片薄膜，從而有效提高光電轉換效率。本專利技術的另一目的在于提供利用上述制備方法制得的薄膜。本專利技術的目的通過以下技術方案予以實現：本專利技術提供的一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，包括以下步驟：(1)將二水乙酸鋅溶解于甲醇溶液中，并將溶液攪拌均勻，得到二水乙酸鋅甲醇溶液；(2)將所述二水乙酸鋅甲醇溶液進行預熱，至溶液達到過飽和出現渾濁；(3)當所述二水乙酸鋅甲醇溶液過飽和出現渾濁時將其吸出倒入另一個已預先放置導電基底的容器中，在密封情況下進行恒溫反應，反應溫度≤60℃；反應結束后，經清洗、干燥、煅燒，即制得附著于導電基底上、并具有多級結構的ZnO納米片薄膜。上述方案中，本專利技術所述步驟(1)中二水乙酸鋅在甲醇溶液中的濃度為0.05～0.25M。進一步地，對于二水乙酸鋅甲醇溶液的預熱，可根據二水乙酸鋅在甲醇溶液中的濃度進行調整，所述步驟(2)中預熱溫度為40～60℃，預熱時間為10～48h。進一步地，本專利技術所述步驟(3)中導電基底以導電面朝上的形式平放于所述預熱的二水乙酸鋅甲醇溶液中。進一步地，本專利技術所述步驟(3)中反應溫度為40～60℃，反應的時間為2～12h。進一步地，本專利技術所述步驟(3)中干燥溫度為60～100℃；煅燒溫度為250～450℃。利用上述制備方法制得的ZnO納米片薄膜，所述ZnO納米片薄膜具有多級結構，由ZnO納米片相互交錯、無序堆疊而成，所述ZnO納米片之間具有孔隙而形成微孔；所述ZnO納米片由ZnO納米顆粒堆積構成，所述ZnO納米顆粒的直徑為20～25nm，所述ZnO納米顆粒之間具有孔隙而在ZnO納米片上形成介孔。本專利技術具有以下有益效果：(1)本專利技術僅使用二水乙酸鋅和甲醇作為反應原料，通過預熱過飽和溶液-低溫化學浴合成法，即制得具有多級結構、呈無序堆積的ZnO納米片薄膜，制備工藝和設備簡單、反應溫度低、成本低，具有簡單易行、易工業化、可大面積制膜、薄膜可控等優點。(2)本專利技術所制得的ZnO納米片薄膜由ZnO納米片無序堆疊形成，而ZnO納米片本身又由ZnO納米顆粒堆積組成。這種ZnO納米片薄膜具有多級結構，同時存在兩種孔隙結構：一種是ZnO納米片與ZnO納米片之間相互交錯、堆疊形成的微孔；另一種是密布于ZnO納米片上、由ZnO納米顆粒之間形成的的介孔。其中，微孔有利于電解質在納米片膜中的擴散；介孔增加了ZnO納米片膜的比表面積，有利于增加染料吸附量，從而增加了電池的短路電流。本專利技術ZnO納米片薄膜在DSSC中作為光陽極膜，其上述結構的技術優勢在于：a.相對于完全由ZnO納米顆粒組成的光陽極，在本專利技術ZnO多孔納米片結構中，光生電子可沿二維納米片直接傳遞，提高了光生電子的收集效率；b.密布的介孔極大地增加了ZnO納米片的比表面積，從而增大了染料吸附量和光生電流；c.ZnO納米片之間微米級的空隙便于電解質滲入。因此，本專利技術雙孔隙結構的ZnO納米片薄膜作為DSSC的工作電極，有利于染料的吸附、電解液的滲透和電子在光陽極/染料/電解質界面的傳輸，從而獲得較高的光電轉換效率。附圖說明下面將結合實施例和附圖對本專利技術作進一步的詳細描述：圖1是本專利技術實施例一所制得薄膜的場發射掃描電鏡斷面照片(a：低倍，b：高倍)；圖2是本專利技術實施例一所制得薄膜組裝成染料敏化太陽能電池后的I-V曲線。具體實施方式本專利技術實施例一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，采用摻氟的氧化錫導電玻璃(FTO)作為導電基底。實施例一：本實施例一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其步驟如下：(1)量取50ml甲醇溶液置于稱量瓶(1#)中，稱取1.64g二水乙酸鋅(二水乙酸鋅在甲醇溶液中的濃度為0.15M)，在磁力攪拌的情況下將二水乙酸鋅加入上述稱量瓶，使之全部溶解于甲醇溶液中，將溶液攪拌均勻，得到二水乙酸鋅甲醇溶液；(2)將上述盛有二水乙酸鋅甲醇溶液的稱量瓶(1#)密封，放在溫度為60℃的烘箱中預熱24h，至溶液達到過飽和出現渾濁；(3)將清洗干凈的導電基底，以導電面朝上的形式平放入另一稱量瓶(2#)中，并用一次性吸管將上述預熱的二水乙酸鋅甲醇溶液吸出放入稱量瓶(2#)中，并將稱量瓶(2#)密封，繼續放在60℃的烘箱中進行恒溫反應以原位生長，反應時間為4.5h；反應結束后，用去離子水清洗、在100℃溫度下干燥，然后在350℃溫度下煅燒，升溫速率為8℃/min，保溫時間為30min，即制得附著于導電基底上、具有多級結構的ZnO納米片薄膜。實施例二：本實施例一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其步驟如下：(1)量取50ml甲醇溶液置于稱量瓶(1#)中，稱取1.64g二水乙酸鋅(二水乙酸鋅在甲本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步驟：(1)將二水乙酸鋅溶解于甲醇溶液中，并將溶液攪拌均勻，得到二水乙酸鋅甲醇溶液；(2)將所述二水乙酸鋅甲醇溶液進行預熱，至溶液達到過飽和出現渾濁；(3)當所述二水乙酸鋅甲醇溶液過飽和出現渾濁時將其吸出倒入另一個已預先放置導電基底的容器中，在密封情況下進行恒溫反應，反應溫度≤60℃；反應結束后，經清洗、干燥、煅燒，即制得附著于導電基底上、并具有多級結構的ZnO納米片薄膜。

【技術特征摘要】
1.一種具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其特征在于包括以下步
驟：
(1)將二水乙酸鋅溶解于甲醇溶液中，并將溶液攪拌均勻，得到二水乙酸鋅甲
醇溶液；
(2)將所述二水乙酸鋅甲醇溶液進行預熱，至溶液達到過飽和出現渾濁；
(3)當所述二水乙酸鋅甲醇溶液過飽和出現渾濁時將其吸出倒入另一個已預先
放置導電基底的容器中，在密封情況下進行恒溫反應，反應溫度≤60℃；反應結束
后，經清洗、干燥、煅燒，即制得附著于導電基底上、并具有多級結構的ZnO納米
片薄膜。
2.根據權利要求1所述的具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其特
征在于：所述步驟(1)中二水乙酸鋅在甲醇溶液中的濃度為0.05～0.25M。
3.根據權利要求1所述的具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其特
征在于：所述步驟(2)中二水乙酸鋅甲醇溶液的預熱溫度為40～60℃，預熱時間為
10～48h。
4.根據權利要求1所述的具有多級結構的ZnO納米片薄膜的制備方法，其特
征在于：所述步驟(3)中導電基...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫健，王艷香，趙學國，郭平春，李家科，黃麗群，
申請(專利權)人：景德鎮陶瓷學院，
類型：發明
國別省市：江西;36