[发明专利]一种二氧化钛纳米晶溶胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明适用于纳米材料制备技术领域，特别是一种适合于染料敏化太阳能电池光用二氧化钛纳米晶溶胶的制备方法。

背景技术

随着人类社会的高速发展，人类对能源的需求不断增加，能源问题日渐成为人们关注的焦点。目前人类利用的主要能源是石油、煤、天然气等化石能源。但是作为不可再生能源，化石能源无法满足人类长期的需求。太阳能作为一种可再生资源，具有其他资源形式不可比拟的优点。太阳能的利用虽然很早就引起了科学家的兴趣，但其应用并不广泛。直到本世纪70年代石油危机的爆发，世界各国才在可再生能源领域投入大量的资金用于研究和开发。除了单纯的储量和经济方面的问题外，人类还必须考虑到另一个方面——生态和环境问题。燃烧化石燃料(特别是煤)严重污染环境，并且随着大气中二氧化碳的增多，还会产生“温室效应”。

将太阳能转化为电能是利用太阳能的一种重要形式。在过去的十几年中，利用半导体光电化学电池代替常规的固态光伏半导体太阳能电池来完成太阳能转化的潜在经济价值日益显现。常规的太阳能电池通常利用高纯度的完美晶体材料制成，而且p-n结的制备需要相当复杂的工艺，从而导致这类电池的价格非常昂贵。而利用半导体光电化学电池在输出功率相同的条件下，成本只有常规太阳能电池的十分之一左右。1991年，Michael等人首次报道了染料敏化太阳能电池，模拟日光照射下可达7.1％。1993年，再次报道了光电转换效率达10％的染料敏化太阳能电池。1998年，等人进一步研制出全固态染料敏化太阳能电池，单色光光电效率达到33％。

染料敏化太阳能电池以其较低的制作成本和简单的生产工艺将成为新一代太阳能电池的代表。染料敏化太阳能电池中的半导体电极是由具有锐钛矿结构的二氧化钛薄膜制备而成的。因为锐钛矿结构的二氧化钛的禁带宽度是3.2eV，所以具有锐钛矿结构的二氧化钛只能吸收太阳光中占很少比例的波长较短的紫外线。而太阳光中绝大部分的波长较长的光线则没有被利用。为了充分利用太阳光中波长较长的部分，需要把二氧化钛制成多孔薄膜从而使其可以吸附上一层能够将吸收光扩展到可见光区的敏化染料以增强光的吸收，提高光电转化效率。所以染料敏化太阳能电池主要由吸附有敏化染料的半导体电极、附有催化剂的对电极以及两电极之间的氧化还原电解质构成。整个光电转化的过程包括：(1)在可见光作用下，吸附在工作电极表面上的染料分子收激发而跃迁到激发态；(2)由于激发态不稳定，电子很快注入到较低能级的TiO₂导带，此时染料分子变为氧化态；(3)进入TiO₂导带中的电子在纳晶多孔薄膜中输运并被导电玻璃收集，然后通过外电路流向对电极，产生光电流；(4)氧化态的染料分子被电解液中的I^-还原为基态，使染料分子得到再生，I^-被氧化为I^-3。(5)同时电解质中的I^-3扩散到阴极(对电极)并从阴极得到电子还原成I^-，完成一个光电化学反应的循环。

从上述的过程可以看出二氧化钛光阳极的制备在染料敏化太阳能电池的生产中是一个非常关键的步骤，二氧化钛的形貌和性质将直接关系到电池的光电转换效率。目前常用的方法是溶胶凝胶法制备二氧化钛，该方法在一定温度下需要较长时间的解胶，之后进行水热反应，占用了大量的时间。并且条件不容易控制，最终的产物性能不佳，影响染料敏化太阳能电池的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种在碱性体系下，使用水热技术制备制备二氧化钛纳米晶颗粒的方法，该方法操作简单、成本低廉，重复性强，且制备出的二氧化钛纳米晶颗粒单分散性良好、不团聚，制备出的薄膜与导电玻璃基底有很好的连接性，机械强度高。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的，一种二氧化钛纳米晶溶胶的制备方法，制备过程包括水解、抽滤、水热处理、离心分离，其特征在于：该方法包括下述步骤：

1)在剧烈搅拌下于水中逐滴加入有机钛盐，产生白色沉淀；

2)将得到的白色沉淀物抽滤，反复用去离子水洗涤；

3)将洗涤后的产物放入水热釜中，加入碱液，混合均匀，然后进行水热反应后，冷却至室温，得到二氧化钛溶胶；

4)对二氧化钛溶胶进行离心分离，即得二氧化钛纳米晶。

所述步骤1)中有机钛盐为钛酸四异丙酯或钛酸四丁酯，有机钛盐水溶液的浓度为0.1mol/L-2mol/L。

所述机械搅拌的时间为20min-2h。

所述步骤2)中抽滤次数为3-5次。