[发明专利]一种光敏化纳米氧化钛溶胶喷墨墨水的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光敏化纳米氧化钛溶胶喷墨墨水的制备方法，具体地涉及一种用TiO₂溶胶和光敏化染料配制适合于压电式喷墨打印机的墨水。

技术背景

太阳能取之不尽、用之不竭，是一种无污染的可再生能源。利用太阳能的关键是太阳能的捕捉与转换，通过光敏材料将太阳能转化为电能或化学能。近年来，许多国家投入大量资金进行太阳能电池的研究与开发工作，提高转化效率，降低生产成本，积极应对日益严峻的能源危机与环境污染。

硅太阳能电池由高质量的单晶硅或多晶硅材料制成的，是开发最早的太阳能电池，也是目前使用最为广泛的一种太阳能电池。硅太阳能电池的光电转化效率较高，商品硅光伏产品一般在20％左右，最高可以达到25％左右。但是单晶硅材料制作工艺复杂、耗能大，成本昂贵，这些缺点限制了硅太阳能电池的进一步商业化和广泛使用。

1991年，瑞典的Michael Gratzel教授报道了一种新型太阳能电池材料：以半导体TiO2为光阳极，并加入染料敏化剂提高转化效率，称为染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized Solar cell，DSSC)。这种电池将带有发色团的染料引入到半导体中，大大改善了TiO2捕获、转化太阳光的能力，为有效利用太阳能带来了新方法。染料敏化太阳能电池的基本结构包括：基板、染料敏化的纳米氧化物薄膜(光阳极)、电解质和对电极组成。

在染料敏化太阳能电池中TiO₂光阳极被广泛使用。TiO₂是一种性能优异，价廉环保、抗腐蚀性好的半导体材料，但TiO₂只能吸收波长小于375nm的紫外光，光电转化效率低。将TiO₂进行表面敏化处理，可以将其吸收扩展到可见光区，增强对光的捕捉，提高光电转化效率。为了吸附更多的染料分子，一般将TiO₂制成多孔、大比表面积的纳米薄膜。纳米二氧化钛薄膜的制备方法有很多种包括水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溶胶凝胶法、溅射沉积法、等离子喷涂法、丝网印刷法等。目前研究较多的工艺是先在基板上制备出纳米TiO₂薄膜，再将附有TiO₂薄膜的基板在光敏化染料染液中浸渍一定时间，完成染料敏化TiO₂光阳极的制作。

本发明的特点在于将纳米TiO₂溶胶与敏化染料混合形成染料敏化纳米TiO₂溶胶，再添加适当的助剂配制成喷墨墨水，该墨水喷印于基板上并经适当处理后，完成光阳极的制作。采用喷墨打印工艺制备光阳极工艺简单，染料敏化纳米TiO₂薄膜的厚度和均匀性易于控制。

发明内容

本发明目的是开发一种光敏化纳米氧化钛溶胶喷墨墨水，该墨水由纳米TiO₂溶胶、光敏化染料和其他助剂以及去离子水组成。该喷墨打印墨水喷印在导电高分子材料上，形成染料敏化的纳米TiO₂薄膜，用于制备太阳能电池光阳极。

其技术方案：将钛醇酯水解通过溶胶-凝胶法制备纳米TiO₂溶胶，将光敏化染料加入到制备好的溶胶后，再添加其它助剂，混合搅拌均匀，最后经微孔滤膜过滤，即可得到光敏化纳米氧化钛溶胶喷墨墨水。

具体制备过程为：将1/4乙醇、去离子水和催化剂混合，室温条件下搅拌5～20分钟，得混合液a；剩余3/4乙醇与钛醇酯混合搅拌5～20分钟，再加入络合剂继续搅拌10～30分钟，得混合液b；不断搅拌下将混合液a缓慢滴加到混合液b中，滴加完毕继续搅拌20～60分钟，得到均匀透明溶液，在混合搅拌过程中控制温度在20～40℃。上述溶液在室温下放置陈化12～24小时，得到纳米TiO₂溶胶。

将制备的TiO₂溶胶5～25份与30～50份去离子水混合搅拌5～20分钟，得混合液c；不断搅拌下将3～15份光敏染料加入到c中，继续搅拌5～20分钟，得混合液d；将混合溶剂5～30份与添加剂0.5～3份混合均匀，加入到d中，搅拌10～30分钟，补加余量的去离子水至100％，继续搅拌20～60分钟。混合液使用真空抽滤装置过滤，得到喷墨打印墨水。

基本工艺参数为：络合剂与钛醇酯的体积比为1∶10～1∶20；去离子水与钛醇酯的摩尔比为3∶1～8∶1；乙醇与钛醇酯的摩尔比为8∶1～20∶1，制备TiO2溶胶时pH值为3.5-6或7.5-9.5。