一種高度有序鉑硅納米線對電極的制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種高度有序鉑/硅納米線對電極的制備方法，屬于染料敏化太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明專利技術(shù)是采用高度有序硅納米線襯底并通過無電鍍技術(shù)把鉑納米顆粒均勻的沉鍍在硅納米線的側(cè)壁上，一方面該工藝與傳統(tǒng)集成電路工藝兼容，便于制備可集成微型DSSC電池，另一方面該高度有序鉑-硅納米線對電極具有大的比表面積、其有序納米線狀結(jié)構(gòu)為電極中電子輸運(yùn)提供一維通路，極大提高電解質(zhì)中I3-離子的催化還原效率，基于此對電極組成的染料敏化太陽能電池，能量轉(zhuǎn)換效率明顯提升。

Method for preparing highly ordered platinum silicon nanowire pair electrode

The invention discloses a method for preparing a highly ordered platinum / silicon nanowires on the electrode, which belongs to the technical field of dye-sensitized solar cell, the invention is the use of highly ordered silicon nanowire substrate by electroless plating and side wall of the Pt nanoparticles evenly plated on silicon nanowires, one aspect of the process with the traditional integrated circuit technology compatible, easy preparation can be integrated with micro DSSC battery, on the other hand, the highly ordered platinum - silicon nanowires with high surface area, the ordered nanowire structure for electron transport in the electrode provide one-dimensional path on the electrode, the catalytic I3- ion in the electrolyte greatly improve the reduction efficiency, dye the dye-sensitized solar cell electrode based on energy conversion efficiency improved significantly.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種高度有序鉑硅納米線對電極的制備方法
本專利技術(shù)涉及一種高度有序鉑/硅納米線對電極的制備方法，屬于染料敏化太陽能電池

技術(shù)介紹
自1991年和O’Regan提出關(guān)于染料敏化太陽能電池(DSSC)報(bào)道，DSSC因?yàn)榫哂袧撛诘牡统杀荆牧县S富、易于大規(guī)模生產(chǎn)、能柔性制造和較高的光電效率等優(yōu)點(diǎn)，作為可再生新能源電池引起了廣泛關(guān)注。典型的DSSC由兩塊氟摻雜氧化錫(FTO)玻璃板組成的夾層結(jié)構(gòu)組成：一塊FTO玻璃板作為電池陽極，上面涂覆有納米TiO2和敏化有機(jī)染料，該染料吸收可見光，催化并釋放電子到納米晶TiO2薄層中。另一塊FTO玻璃板作為對電極，上面涂覆有貴金屬鉑(Pt)薄層，一方面作為電池陰極傳導(dǎo)電流，另一方面催化電解質(zhì)中的I3-在對電極上接受電子還原為I-。鉑DSSC電池中對電極常用的催化劑。鉑基對電極通常通過濺射法，熱分解法和電化學(xué)沉積等方法制備，電化學(xué)沉積可以使鍍層具有良好的均勻性，可控厚度，和大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)。硅基納米線結(jié)構(gòu)可以提供更大比表面積來支撐有效催化劑良好的分散，同時(shí)硅基襯底材料也便于與傳統(tǒng)集成電路工藝兼容，為可集成微型染敏太陽能電池奠定基礎(chǔ)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供了一種高度有序鉑/硅納米線對電極的制備方法，采用該高度有序鉑硅納米線對電極提高了染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換性能。本專利技術(shù)解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種高度有序鉑/硅納米線對電極的制備方法，包括如下步驟：第一步，利用金屬誘導(dǎo)化學(xué)濕法刻蝕制備硅納米線1、樣片切割：采用單面拋光，n型<100>晶向硅片，切割成1cm×1cm樣片。2、樣片清洗：首先丙酮溶液超聲清洗10-20min，去除表面灰塵、油污和蠟等有機(jī)玷污粒子；然后乙二醇溶液超聲清洗10-20min，去除表面有機(jī)物的殘留；之后通過去離水沖洗，去除表面有機(jī)溶劑；之后通過在H2SO4∶H2O2＝3∶1(體積比)溶液中升溫煮沸10-20min，以便去除金屬粒子并在硅片表面生成親水薄氧化層；最后樣片在大量去離子水中超聲清洗去除殘留物后取出用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?、高度有序硅納米線(SiNWs)陣列制備：樣片拋光面向上，浸入到AgNO3+HF+去離子水混合溶液中，其中AgNO3濃度為0.5-1.0mM，HF濃度為1-2M，超聲反應(yīng)時(shí)間30-40min，使銀顆粒均勻沉積到硅片表面；取出樣片，拋光面向上，浸入到HF∶H2O2＝1∶1(體積比)溶液中，室溫刻蝕40-60min，制備高度有序硅納米線(SiNWs)陣列襯底，多余Ag粒子用20-30％稀硝酸溶液清洗回收。第二步，硅納米線陣列襯底預(yù)處理：硅納米線襯底樣片浸入濃度3％的TritonX-100溶液中30-60s，以減少內(nèi)壓應(yīng)力和提高SiNWs的浸潤性，取出后用去離子水沖洗干凈。第三步，電鍍制備鉑-硅納米線對電極：KCL溶液為電解質(zhì)，濃度為0.1-0.2M；H2PtCl6作為鉑源，濃度為2-4mM，乙二胺四乙酸(EDTA)為絡(luò)合劑，濃度10-15mgL-1；磁力攪拌55-85℃水浴；pH值通過加入氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)保持在8.0-9.0；兩電極體系，工作電極為硅納米線陣列襯底，對電極為鉑片電極，工作脈沖電壓波形為三角波，高電平0.5V，低電平-0.4V，掃描速率100mVs-1，持續(xù)100-200循環(huán)。第四步，鉑-硅納米線對電極熱退火處理：氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，氮?dú)饬髁?-1.5Lmin-1，400-500℃快速熱退火400-600s。經(jīng)上述工藝過程，制備的硅納米線形貌比較均一，高度有序，線徑70-300nm，高度約70-80μm，鉑納米顆粒通過電化學(xué)電鍍方法被均勻的沉鍍在硅納米線的側(cè)壁上。鉑顆粒的直徑范圍在幾十到幾百納米之間，鉑粒子均勻沉積在整個(gè)硅納米線側(cè)壁以及底部。本專利技術(shù)的有益效果是：1)本專利技術(shù)的鉑/硅納米線是高度有序，長度適中，線徑均勻，鉑顆粒均勻沉積在硅納米線表面，分散性好，比表面積大，催化效率高。2)本專利技術(shù)的鉑修飾硅納米線納米結(jié)構(gòu)電極的制備方法與傳統(tǒng)集成電路工藝兼容，主要采用電化學(xué)制程，成本低，操作簡單，工藝條件溫和，實(shí)現(xiàn)容易。3)本專利技術(shù)的硅納米線陣列襯底制備方法采用金屬誘導(dǎo)化學(xué)濕法刻蝕技術(shù)，通過預(yù)沉積金屬銀顆粒掩膜以及H2O2+HF混合溶液制備均勻的硅納米線陣列，同時(shí)硝酸銀可回收多次使用。該方法工藝條件溫和、操作簡便，是可推廣應(yīng)用的一種低成本硅微加工技術(shù)。4)本專利技術(shù)的鉑修飾硅納米線納米結(jié)構(gòu)的制備方法中電鍍鉑的鍍液配制簡單，所用試劑常見，價(jià)格低廉，成本低，沉積的鉑薄膜分布均勻，經(jīng)快速熱退火處理，鉑硅納米線接觸層物理和化學(xué)性能穩(wěn)定。5)鉑/硅納米線比平面鉑薄膜更具催化活性，它的較高催化活性不僅來源于均一分部的鉑納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，硅納米線陣列襯底的微納米間距效應(yīng)有關(guān)，還與快速熱退火后鉑-硅納米線接觸層的肖特基電場分布和該接觸層的電子輸運(yùn)特性有關(guān)。基于鉑/硅納米線對電極的染料敏化電池可獲得高達(dá)8.30％的能量轉(zhuǎn)換效率，它比由濺射Pt/硅平面對電極構(gòu)成的染料敏化電池中獲得的能量轉(zhuǎn)換效率還要高。具體實(shí)施方式一種高度有序鉑/硅納米線對電極的制備方法，包括如下步驟：第一步，利用金屬誘導(dǎo)化學(xué)濕法刻蝕制備硅納米線1、樣片切割：采用單面拋光，n型<100>晶向硅片，切割成1cm×1cm樣片。2、樣片清洗：首先丙酮溶液超聲清洗10-20min，去除表面灰塵、油污和蠟等有機(jī)玷污粒子；然后乙二醇溶液超聲清洗10-20min，去除表面有機(jī)物的殘留；之后通過去離水沖洗，去除表面有機(jī)溶劑；之后通過在H2SO4∶H2O2＝3∶1(體積比)溶液中升溫煮沸10-20min，以便去除金屬粒子并在硅片表面生成親水薄氧化層；最后樣片在大量去離子水中超聲清洗去除殘留物后取出用氮?dú)獯蹈蓚溆谩?、高度有序硅納米線(SiNWs)陣列制備：樣片拋光面向上，浸入到AgNO3+HF+去離子水混合溶液中，其中AgNO3濃度為0.5-1.0mM，HF濃度為1-2M，超聲反應(yīng)時(shí)間30-40min，使銀顆粒均勻沉積到硅片表面；取出樣片，拋光面向上，浸入到HF∶H2O2＝1∶1(體積比)溶液中，室溫刻蝕40-60min，制備高度有序硅納米線(SiNWs)陣列襯底，多余Ag粒子用20-30％稀硝酸溶液清洗回收。第二步，硅納米線陣列襯底預(yù)處理：硅納米線襯底樣片浸入濃度3％的TritonX-100溶液中30-60s，以減少內(nèi)壓應(yīng)力和提高SiNWs的浸潤性，取出后用去離子水沖洗干凈。第三步，電鍍制備鉑-硅納米線對電極：KCL溶液為電解質(zhì)，濃度為0.1-0.2M；H2PtCl6作為鉑源，濃度為2-4mM，乙二胺四乙酸(EDTA)為絡(luò)合劑，濃度10-15mgL-1；磁力攪拌55-85℃水浴；pH值通過加入氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)保持在8.0-9.0；兩電極體系，工作電極為硅納米線陣列襯底，對電極為鉑片電極，工作脈沖電壓波形為三角波，高電平0.5V，低電平-0.4V，掃描速率100mVs-1，持續(xù)100-200循環(huán)。第四步，鉑-硅納米線對電極熱退火處理：氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，氮?dú)饬髁?-1.5Lmin-1，400-500℃快速熱退火400-600s。經(jīng)上述工藝過程，制備的硅納米線形貌比較均一，高度有序，線徑70-300nm，高度約70-80μm，鉑納米顆粒通過電化學(xué)電鍍方法被均勻的沉鍍在硅納米線的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種高度有序鉑硅納米線對電極的制備方法，其特征在于：其制備方法如下步驟：1)樣片切割：采用單面拋光，n型<100>晶向硅片，切割成1cm×1cm樣片；2)樣片清洗：丙酮溶液超聲清洗10?20min，去除表面灰塵、油污和蠟等有機(jī)玷污粒子；然后乙二醇溶液超聲清洗10?20min，去除表面有機(jī)物的殘留；之后通過去離子水沖洗，去除表面有機(jī)溶劑；之后通過在H2SO4∶H2O2＝3∶1(體積比)溶液中升溫煮沸10?20min，去除金屬粒子并在硅片表面生成親水薄氧化層；最后樣片在大量去離子水中超聲清洗去除殘留物后取出用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?)金屬誘導(dǎo)化學(xué)濕法刻蝕硅納米線陣列襯底制備：樣片拋光面向上，浸入到AgNO?3+HF+去離子水混合溶液中，其中AgNO?3濃度為0.5?1.0mM，HF濃度為1?2M，超聲反應(yīng)時(shí)間30?40min，使銀顆粒均勻沉積到硅片表面；取出樣片，拋光面向上，浸入到HF∶H2O2＝1∶1(體積比)溶液中，室溫刻蝕40?60min，制備高度有序硅納米線(SiNWs)陣列襯底，多余Ag粒子用20?30％稀硝酸溶液清洗回收；4)鉑?硅納米線對電極制備：襯底樣片浸入濃度3％的Triton?X?100溶液中30?60s，以減少內(nèi)壓應(yīng)力和提高SiNWs的浸潤性，取出后用去離子水沖洗干凈；KCL溶液為電解質(zhì)，濃度為0.1?0.2M；H2?PtCl?6作為鉑源，濃度為2?4mM，乙二胺四乙酸(EDTA)為絡(luò)合劑，濃度10?15mg?L?1；磁力攪拌55?85℃水浴；pH值通過加入氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)保持在8.0?9.0；兩電極體系，工作電極為硅納米線陣列襯底，對電極為鉑片電極，工作脈沖電壓波形為三角波，高電平0.5V，低電平?0.4V，掃描速率100mVs?1，持續(xù)100?200循環(huán)；鉑?硅納米線對電極氮?dú)夥毡Ｗo(hù)，氮?dú)饬髁??1.5Lmin?1，400?500℃快速熱退火400?600s。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高度有序鉑硅納米線對電極的制備方法，其特征在于：其制備方法如下步驟：1)樣片切割：采用單面拋光，n型<100>晶向硅片，切割成1cm×1cm樣片；2)樣片清洗：丙酮溶液超聲清洗10-20min，去除表面灰塵、油污和蠟等有機(jī)玷污粒子；然后乙二醇溶液超聲清洗10-20min，去除表面有機(jī)物的殘留；之后通過去離子水沖洗，去除表面有機(jī)溶劑；之后通過在H2SO4∶H2O2＝3∶1(體積比)溶液中升溫煮沸10-20min，去除金屬粒子并在硅片表面生成親水薄氧化層；最后樣片在大量去離子水中超聲清洗去除殘留物后取出用氮?dú)獯蹈蓚溆茫?)金屬誘導(dǎo)化學(xué)濕法刻蝕硅納米線陣列襯底制備：樣片拋光面向上，浸入到AgNO3+HF+去離子水混合溶液中，其中AgNO3濃度為0.5-1.0mM，HF濃度為1-2M，超聲反應(yīng)時(shí)間30-40min，使銀顆粒均勻沉積到硅片表面；取出樣片，拋光面向上，浸入到HF∶H2O2＝1∶1(體積比)溶液中，室溫刻蝕40-60min，制備高度有序硅納米線(SiNWs)陣列襯底，多余Ag粒子用20-30％稀硝酸溶液清洗回收；4)鉑-硅納米線對電極制備：襯底樣片浸入濃度3％的TritonX-100溶液中30-60s，以減少內(nèi)壓應(yīng)力和提高SiNWs的浸潤性，取出后用去離子水沖洗干凈；KCL溶液為電解質(zhì)，濃度為0.1-0.2M；H2PtCl6作為鉑源，濃度為2-4mM，乙二胺四乙酸(EDTA)為絡(luò)合劑，濃度10-15mgL-1；磁力攪拌55-85℃水浴；pH值通過加入氨水進(jìn)行調(diào)節(jié)保持在8.0-9.0；兩電極體系，工作電極為硅納米線陣列襯底，對電極為鉑片電極，工作脈沖電壓波形為三角波，高電平0.5V，低電平-0.4V，掃描速率100mVs-1...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李春花，
申請(專利權(quán))人：青島祥智電子技術(shù)有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：山東,37