[发明专利]一种纳米晶薄膜及其低温制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料前驱体及其薄膜制备，特别涉及了一种级配结构的纳米晶前驱体薄膜及其低温化学烧结制备方法。该种低温薄膜既可以用于染料敏化太阳能电池，也可以用于光触媒等领域。

背景技术

染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，DSSC)是一种新型的太阳能电池，以其高效廉价的优越性倍受各国科学家的青睐。DSSC是由透明导电基板、半导体多孔纳米晶薄膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构。其中，纳米晶多孔薄膜是DSSC不可获缺的部分。它具有极大的比表面积，起着支撑染料、分离电荷和传递光生电子的作用，目前主要采用的纳米晶薄膜是氧化钛薄膜。

DSSC根据导电基板的材质不同可以分为平板刚性DSSC和柔性DSSC两种。所谓刚性DSSC就是导电基板采用导电玻璃，然后在其上制备纳米晶氧化钛薄膜。氧化钛薄膜的制备方法很多，包括溶胶凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法等。利用这些方法将将氧化钛胶体涂覆到导电基板上后，再经过高温烧结(450℃)就得到与基板结合强度好、颗粒之间电接触良好的纳米晶氧化钛薄膜。所谓柔性DSSC就是导电基板采用高分子聚合物导电基板(称柔性导电基板)，具有可弯曲的特点。对于柔性DSSC而言，由于高分子导电基板所承受的温度通常低于(150℃)，因此刚性DSSC所采用的氧化钛薄膜制备工艺并不适用，必须要有特定的低温薄膜制备工艺。目前，这方面的研究刚刚兴起，并迅速吸引了国内外诸多研究学者的目光。

日本岐阜大学的Dongshe Zhang以TiCl₄为前驱物，用水热合成TiO₂纳米晶薄膜制备了柔性DSSC电池，获得了2.5％的光电转换效率。日本东北大学的Satoshi Uchida对TiO₂纳米晶薄膜用径向挤压处理的方法，获得了光电转换效率为2.16％的柔性DSSC电池。日本横滨大学的Takurou Murakami通过对TiO₂纳米晶薄膜进行紫外光照射的方法，获得了光电转换效率为3.8％的柔性DSSC电池。日本横滨桐阴大学的Miyasaka教授采用电泳法结合商业氧化钛浆料膜修补技术，获取了光电转化效率为4.1％的柔性DSSC电池。国内东南大学的孙岳明等制备了一种软基固态染料敏化太阳能电池，但是效率比较低，量子效率为30％。虽然目前氧化钛薄膜的低温制备方法很多，综合这些研究现状可以发现，这些工艺制备出来的薄膜颗粒间的电接触性能较差，因此柔性DSSC的光电转换效率还比较低，此外这些工艺操作复杂、耗时，并不利于推广应用。

由于柔性DSSC不但能胜任平板刚性太阳能电池应用(例如光伏电站、通讯站等)的所有角色，而且能用在平板类太阳能电池难以胜任的许多其他领域，例如太阳能汽车、飞机、飞艇、建筑、纺织品、帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面场合，甚至可以像地图一样挂在墙上或窗上，不用时卷曲起来即可，因此具有很强的竞争力。此外，玻璃基板在DSSC的成本中所占的比重高，采用柔性导电塑料基板不但可以减轻DSSC的重量，还可以降低成本。因此，开发氧化钛薄膜的低温制备工艺，制备柔性DSSC，具有很大的应用前景，也是一个巨大的挑战。

氧化钛还是一种很好的光触媒材料。氧化钛有三种晶型：板钛矿型、锐钛矿型和金红石型。当氧化钛颗粒的尺寸小到一定程度(纳米材料量级)时，氧化钛将能够吸收经过其的紫外光，产生的电子和空穴将移动到粒子表面并与吸附在粒子表面的H₂O和O₂反应，生成羟基自由基和过氧负离子，从而起着降解有机物、杀菌、氧化还原有机有害废气等作用。因此，氧化钛光触媒具有很大的应用前景。要开发用于光触媒氧化钛浆料，就要求该浆料在低温下在任意干净的表面(例如，建筑物的表面、玻璃表面等)能够形成高比表面积、高强度的氧化钛薄膜，薄膜中含有大量的氧化钛纳米晶颗粒。

发明内容

本发明的目的在于开发一种级配结构的纳米晶前驱体、薄膜及其低温化学烧结制备方法。该方法具有合成方法简单，成本低、可以低温成膜，适合成卷大规模生产等许多优点。