[发明专利]大孔－介孔纳米晶二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于纳米晶太阳能电池(NPC)的，尤其涉及染料敏化太阳能电池(DSSC)的多孔二氧化钛(TiO₂)纳米晶薄膜的制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染促进了太阳能电池的研究，纳米晶太阳能电池(NPC)以其成本低、易于制备、对环境污染少等优点引起了众多研究者的关注。其中以多孔二氧化钛(TiO₂)纳米晶薄膜为基础的染料敏化太阳能电池(DSSC)已获得了11％的光电转换效率。

在NPC中起着接收电子和传输电子作用的纳米晶薄膜，至少应满足以下3个条件：1)纳米薄膜吸附的光敏化剂必须保证电子有效地注入薄膜的导带；2)必须有足够大的比表面积，从而能够吸附大量的敏化剂；3)电子在薄膜中有较快的传输速度，从而减少薄膜中电子和电解质受主的复合。纳米TiO₂薄膜表面可以与吸附在薄膜上的敏化剂分子形成C-O-Ti键，从而大大促进了染料敏化剂中激发的电子向TiO₂薄膜的转移，使得量子效率接近100％。TiO₂是宽禁带半导体材料，导带电位相差很小，位于染料的最低占据分子轨道(LOMO)之下，所以染料的光激发电子能够注入到导带上去。TiO₂电极要求纳米多孔结构，以保证有大的比表面积而增加染料的吸附量，提高对太阳光的吸收效率。另外，太阳光在粗糙表面内多次反射折射，可被染料分子反复吸收，由此极大提高了太阳光的利用率。因此，TiO₂薄膜的比表面积对电池的性能有较大影响，制备大比表面积的多孔纳米晶膜是获得高效敏化太阳能电池的必要条件。

目前制备多孔TiO₂纳米晶薄膜多采用以TiO₂超细粉为原料，再加入表面活性剂进行涂敷或丝网印刷的方法[参见M.K.Nazeemuddin，et al.J.Am.Chem.Soc.115(1993)6382，王维波等，感光科学与光化学，15(1997)161]。但是纳米粒子所具有的表面效应使其在研磨及溶解过程中很容易团聚，在很大程度上影响了薄膜的多孔性；并且制备的TiO₂薄膜均匀性差，所得海绵态多孔结构的孔径分布范围较宽，孔结构的规则度和排列有序度低，导致薄膜的比表面积较低[参见S.Kambe，et al.Sol.Energy Mater.Sol.Cells 61(2000)427]。因此为了进一步提高TiO₂纳米晶多孔薄膜性能，需要缩小薄膜孔径分布范围，提高多孔薄膜孔洞排列的有序度，提高其比表面积，并使其孔壁具有所需的锐钛矿结晶相。

以嵌段聚合物为模板已制备出了高比表面积的介孔薄膜材料[参见E.L.Crepaldi，et al.New J.Chem.27(2003)9，D.Grosso，et al.Adv.Mater.13(2001)1085]，孔径为几纳米，孔径分布窄；采用高度有序的聚苯乙烯(PS)微球胶晶阵列为膜板组装纳米晶TiO₂大孔薄膜也有报道[参见B.Gates，et al.Chem.Mater.11(1999)2827，O.D.Velev，et al.Adv.Mater.12(2000)531]，通过此方法可以制得孔径为几百纳米的有序大孔结构。而将介孔和大孔结合的多级孔材料可以同时具有高比表面积，高有序度和双孔径等特点，这将有利于在DSSC中提高染料的吸附量和光生载流子的传输。对于制备介孔TiO₂薄膜需要保证在热处理过程中保持完整均匀的介孔结构并且孔壁具有很好的结晶性，而要得到有序大孔的TiO₂也需要控制热处理过程，以免大孔结构坍塌与不均匀性的产生。

目前，大孔-介孔双级孔结构TiO₂薄膜同时具有比表面积高和结构有序度高的特点，但是存在着在去除模板剂的热处理过程中容易导致介孔坍塌、孔壁结晶性差以及大孔孔壁断裂、有序度降低等问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种通过溶胶-凝胶方法、采用嵌段聚合物和聚苯乙烯(PS)胶晶阵列双模板制备的、有序大孔和介孔结合的双孔结构的高比表面积、结构有序、均匀、透光性好并且孔壁为锐钛矿相的纳米晶体结构的TiO₂薄膜。

本发明通过如下技术方案予以实现，具有如下步骤：

(1)制备介孔前驱体溶胶