專利名稱：Zn₂SnO₄/SnO₂復(fù)合納米結(jié)構(gòu)、其制備方法及用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu),特別涉及Zn2Sn04/Sn02球、其制備方法、用途及染料敏化太陽能電池。
背景技術(shù)：
當(dāng)今社會(huì)，隨著不可再生能源越來越少，尋找新能源成為全世界關(guān)注的重要問題。染料敏化太陽能電池(DSSCs)由于可以把太陽光能轉(zhuǎn)換為電能，而且太陽光具有潔凈、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，從而引起了人們的廣泛關(guān)注。電極材料的性能對(duì)染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有很大的影響，因此對(duì)電極材料的研究成為了染料敏化太陽能電池的重要的研究方向。目前，可以作為電極材料使用的有各種金屬氧化物如Ti02、ZnO、SnO2,SrTi03、Zn2SnO4等。相對(duì)于單一的金屬氧化物,復(fù)合金屬氧化物因其多元的性能,多能帶、多結(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)可能在染料敏化太陽能電池電極材料有更好的應(yīng)用。至今為止一些復(fù)合氧化物如Zn0/Sn02、Zn2Sn04/Sn02、Ti02/Zn2Sn04和Sn02/Ti02已被應(yīng)用于染料敏化太陽能電池中。然而，這些復(fù)合材料通常都是通過多步合成然后再混合的方法來獲得。因此，探索簡單的合成多功能復(fù)合納米材料的方法成為化學(xué)家和材料學(xué)家們的一個(gè)重要的研究課題。本發(fā)明首次提出了一種簡單方便的方法，在一定的溫度下空氣中熱處理21^11(0!1)6球(專利申請(qǐng)?zhí)?201310000067.0)成功得到了 Zn2Sn04/Sn02復(fù)合材料的球狀結(jié)構(gòu)，并將這種納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的電極材料，顯示出非常高的光電轉(zhuǎn)化效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有球狀結(jié)構(gòu)的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)材料，并提供了有效的制備方法。本發(fā)明的另一個(gè)目的是將上述Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)材料，用于染料敏化太陽能電池的電極材料。本發(fā)明Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)為由Zn2SnO4納米粒子和SnO2納米粒子組裝而成的球狀結(jié)構(gòu)。所述球狀結(jié)構(gòu)為中空結(jié)構(gòu)，其直徑從IOOnm 1.5 μ m，壁厚為50nm 400nm。所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備方法:將ZnSn (OH) 6球在250 800°C下焙燒I 10h，冷卻至室溫。所述的Zn2SnO4/SnO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)選制備方法:將ZnSn (OH) 6球在400 700°C下焙燒2 8h，冷卻至室溫。所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)材料可用于染料敏化太陽能電池的電極材料。本發(fā)明將水合錫酸鋅ZnSn(OH)6在250 800°C空氣中保持I 10個(gè)小時(shí)，所得產(chǎn)物即為所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)材料。圖1給出了將水合錫酸鋅ZnSn(OH)6在600°C空氣中保持2個(gè)小時(shí)得 到的產(chǎn)物的XRD譜圖，其中標(biāo)注“ ■ ”的衍射峰可指標(biāo)化為立方相的Zn2SnO4CJCPDS card24-1470)，余下的標(biāo)注“▲”的衍射峰則可以指標(biāo)化為四方相的SnO2 (JCPDS card41-1445)，表明所得的樣品為 Zn2Sn04/Sn02 復(fù)合物。圖 2 為 Zn2Sn04/Sn02 復(fù)合物的SEM照片，從低倍的大范圍的SEM照片上可以看到，所得樣品為粒徑IOOnm 1.5 μ m的單分散的微球結(jié)構(gòu)。圖2b的高倍SEM照片可以看出Zn2Sn04/Sn02復(fù)合物微球?yàn)橹锌战Y(jié)構(gòu)，由納米粒子構(gòu)成。圖3為Zn2Sn04/Sn02復(fù)合物的TEM照片，同樣可以看出中空球是由松散的納米粒子構(gòu)成的。這種單分散的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合物微球可以在很寬的實(shí)驗(yàn)條件下獲得，在一定范圍內(nèi)改變反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等均可以得到類似的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合物微球。Zn2Sn04/Sn02中空球可以作為染料敏化太陽能電池(DSSC)電極材料。將其旋涂在導(dǎo)電玻璃上形成薄膜后作為染料敏化太陽能電池的電極，在太陽能轉(zhuǎn)換儀器上進(jìn)行測試以考察其光電轉(zhuǎn)化效率。作為比較，我們也測試了商業(yè)的Zn2SnOJP SnO2混合物的性能。圖4為Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)和商業(yè)的Zn2SnO4和SnO2混合物的電流密度對(duì)電壓(J-V)曲線，可以看出，本發(fā)明Zn2Sn04/Sn02中空球的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到4.52%,比商業(yè)的Zn2SnO4及SnO2混合物(1.49% )也高了好多，也比報(bào)道過的單一的Zn2SnO4光電轉(zhuǎn)化效率(3.8% )及SnO2光電轉(zhuǎn)化效率(1.2% )高。顯然，Zn2SnO4和SnO2納米粒子的原位雜化形成的Zn2SnO4/SnO2復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)有利于產(chǎn)生更多的光生媒介，有利于電子在染料分子和半導(dǎo)體之間的傳輸，從而具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。總之，本發(fā)明在空氣中熱處理ZnSn(0!1)6球得到了 Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。這種Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)作為染料敏化太陽能電池的電極材料，顯示非常高的光電轉(zhuǎn)化效率，這使得Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)可以發(fā)展為染料敏化太陽能電池的電極材料用于染料敏化太陽能電池領(lǐng)域。


圖1 ZnSn(OH)6在600°C空氣中保持2個(gè)小時(shí)得到的產(chǎn)物的XRD譜圖。

圖2 ZnSn(OH)6在600°C空氣中保持2個(gè)小時(shí)得到的產(chǎn)物的SEM照片。圖3 ZnSn(OH)6在600°C空氣中保持2個(gè)小時(shí)得到的產(chǎn)物的TEM照片。圖4 (a) Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)和(b)商業(yè)的Zn2SnO4和SnO2混合物的電流密度對(duì)電壓(J-V)曲線
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1將ZnSn (OH)6球在馬弗爐中600°C反應(yīng)2h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2SnO4/SnO2復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2將ZnSn (OH) 6球在馬弗爐中600°C反應(yīng)10h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2SnO4/SnO2復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3將ZnSn (OH)6球在馬弗爐中250°C反應(yīng)2h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2SnO4/SnO2復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例4將ZnSn (OH)6球在馬弗爐中800°C反應(yīng)2h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2SnO4/SnO2復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例5將ZnSn(OH)6實(shí)心球在馬弗爐中400°C反應(yīng)2h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例6將ZnSn(OH)6實(shí)心球在馬弗爐中250°C反應(yīng)10h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例7將ZnSn(OH)6實(shí)心球在馬弗爐中800°C反應(yīng)10h，自然冷卻至室溫。所得產(chǎn)物為Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)。實(shí)施例8將Zn2Sn04/Sn02復(fù)合球狀結(jié)構(gòu)在一定量的乙醇中形成均勻的懸浮液，然后旋涂在導(dǎo)電玻璃上形成多孔的薄膜。然后把涂有樣品的導(dǎo)電玻璃在500°C空氣中煅燒形成致密的薄膜，冷卻到室溫，然后把導(dǎo)電玻璃浸入到染料N719的乙醇溶液中6h。對(duì)電極是鍍鉬的鏡子，然后電解質(zhì)、薄膜、對(duì)電極構(gòu)成一個(gè)開路電池。電解液是1.0M BMII,50mM LiI,30mM I2和0.5M叔-丁基吡啶在乙腈和戊腈(v/v，85: 15)溶劑中。滴Iml在電解液薄膜上，然后在太陽能轉(zhuǎn)換儀器上進(jìn)行測試，有效的照射面積是0.132cm2。Zn2Sn04/Sn02中空球的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到4.52%。實(shí)施例9將商業(yè)的Zn2SnO4和SnO2混合物在一定量的乙醇中形成均勻的懸浮液，然后旋涂在導(dǎo)電玻璃上形成多孔的薄膜。然后把涂有樣品的導(dǎo)電玻璃在500°C空氣中煅燒形成致密的薄膜，冷卻到室溫，然后把導(dǎo)電玻璃浸入到染料N719的乙醇溶液中6h。對(duì)電極是鍍鉬的鏡子，然后電解質(zhì)、薄膜、對(duì)電極構(gòu)成一個(gè)開路電池。電解液是1.0M BMII,50mM LiI,30mM I2和0.5M叔-丁基吡啶在乙腈和戊腈(v/v，85: 15)溶劑中。滴Iml在電解液薄膜上，然后在太陽能轉(zhuǎn)換儀器上進(jìn)行測試，有效的照射面積是0.132cm2。商業(yè)的Zn2SnO4和SnO2混合物的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到1.49%，遠(yuǎn)低于Zn2Sn04/Sn02中空球的光電轉(zhuǎn)換效率(4.52%).
權(quán)利要求
1.一種Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述Zn2Sn04/Sn02復(fù)合結(jié)構(gòu)為由Zn2SnO4納米粒子和SnO2納米粒子組裝而成的球狀結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述球狀結(jié)構(gòu)為中空結(jié)構(gòu)，其直徑從IOOnm 1.5 μ m,壁厚為50nm 400nm。
3.一種權(quán)利要求1所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備方法:其特征在于將ZnSn(OH)6球在250 800°C下焙燒I 10h，冷卻至室溫。
4.一種權(quán)利要求1所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備方法:其特征在于將ZnSn(OH)6球在400 700°C下焙燒2 8h，冷卻至室溫。
5.—種權(quán)利要求1所述的Zn2Sn04/Sn02復(fù)合納米結(jié)構(gòu)在染料敏化太陽能電池上的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明Zn2SnO4/SnO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)、其制備方法及用途，涉及Zn2SnO4/SnO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為由Zn2SnO4納米粒子和SnO2納米粒子組裝而成的球狀結(jié)構(gòu)，所述球狀結(jié)構(gòu)為中空結(jié)構(gòu)，其直徑從100nm～1.5μm，壁厚為50nm～400nm。所述的Zn2SnO4/SnO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)的制備方法將ZnSn(OH)6球在250～800℃下焙燒1～10h，冷卻至室溫。所述Zn2SnO4/SnO2復(fù)合納米結(jié)構(gòu)材料可用于染料敏化太陽能電池電極材料，并顯示出非常高的光電轉(zhuǎn)化效率。
文檔編號(hào)H01G9/20GK103137333SQ201310021510
公開日2013年6月5日 申請(qǐng)日期2013年1月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月22日
發(fā)明者高峰, 陸輕銥, 劉榮梅, 杜薇, 魏成振, 孫婧 申請(qǐng)人:南京大學(xué)