[发明专利]氧化钛复合物的制备方法以及掺有该复合物的光电转换装置

说明书

技术领域

本发明涉及氧化钛复合物，更具体涉及可应用于光电转换装置的半导体层的氧化钛复合物，其制备方法以及掺有这种复合物的光电转换装置。

背景技术

近年来，随着公众越来越关注环境保护，光伏发电变得更加重要。可以实践的装置之一是染料增感型太阳能电池(DSSC)，其由工作电极和对电极组成，其中氧化-还原电解质层被置于二者之间。工作电极由透明带电层和氧化物半导体层构成，这两层都形成在透明基板上。氧化物半导体层担载增感染料。工作电极也被称为光电极或窗电极。染料增感型太阳能电池如下这样起电池的作用：太阳光激发染料中的电子并且受激电子进入氧化物半导体层、然后进入透明导电层，结果电流流过连接有负载的外电路流向对电极。

与硅型太阳能电池相比，染料增感型太阳能电池具有如下优点：其原料来源不太受限、不需要真空装置并且能够以低成本通过印刷或流水线系统来制备。出于这个原因，染料增感型太阳能电池得到广泛地开发。

氧化物半导体层作为染料增感型太阳能电池的一个构件通常由氧化钛形成，并且为了增强氧化钛的染料吸附能力以便改善光电转换效率，已经对其进行了大量研究。在此方面，正在试图开发具有大比表面积的氧化钛或开发氧化钛纳米线复合物。

这些尝试的实例包括，在含有脲和硫酸氧钛(titanium oxysulfate)的溶液中合成具有大比表面积的氧化钛膜的方法(参见S.Yamabi，H.Imai，“Synthesis of rutile and anatase films with high surface areas in aqueous solutions containing urea，”Thin Solid Films 434(2003)86-93(2.实验部分)，此后被称为非专利文献1)；和用于制备氧化钛纳米线复合物的方法(参见日本专利特开2007-70136(第0010至0012段、图3和图4，此后被称为专利文献1)和日本专利特开2006-182575(第0010至0014段，此后被称为专利文献2)，以及B.Liu等人的“Oriented single crystalline titanium dioxide nanowires，”Nature Nanotechnology 19，505604(2008)(2.实验细节，3.结果与讨论，此后被称为非专利文献2))。

氧化钛纳米线复合物由于具有大比表面积(这导致高染料吸附能力)以及在纳米线的长度方向上具有良好的电子导电性而被预期可用作氧化物半导体层(参见专利文献1和日本专利特开2008-277019(第0012至0016段和第0046至0066段，此后被称为专利文献3))。

标题为“光电电池以及用于形成该光电电池的多孔半导体膜的涂料”的专利文献3公开了如下内容：多孔金属氧化物半导体膜由氧化钛颗粒形成，各个颗粒包含氧化钛的基体颗粒和包覆该基体颗粒表面的一层氧化钛微粒。氧化钛基体颗粒可以是球形的、纤维形的或管形的氧化物。它们可以单独使用，或者可以彼此组合使用。纤维形或管形氧化钛应当具有5至40nm(优选8至30nm)的平均直径和25至1000μm(优选50至600μm)的平均长度。

发明内容

用于形成光电转换装置的半导体层的氧化钛可以是具有大比表面积的微粒形式的氧化钛。该氧化钛的表面上吸附大量染料，因而提供了大反应面积。然而，这种氧化钛由于颗粒间存在非常多的界面因而导致反应产生的电子在迁移到电极期间被大幅损耗。

与此对照，用于形成染料增感型太阳能电池的半导体层的氧化钛可以是棒形氧化钛(诸如纳米线)。这种氧化钛由于颗粒间存在较少的截面因而允许反应产生的电子有效迁移至电极。然而，这种氧化钛由于具有小比表面积因而吸附的染料量有限，从而导致反应面积不足。

鉴于以上不足，为了提高染料增感型太阳能电池的光电转换效率，需要一种具有低电阻和大比表面积的半导体层。

本发明解决了上述问题。本发明令人希望地提供了一种用于形成光电转换装置的半导体层的氧化钛复合物、及其制备方法、以及掺有这种复合物的光电转换装置。

本发明的一个方面提供一种用于制备氧化钛复合物的方法，所述方法包括如下步骤：准备氧化钛纳米线；将所述氧化钛纳米线浸渍在含有硫酸氧钛和脲的溶液中，从而在所述氧化钛纳米线的表面上形成氧化钛微粒；回收在表面上形成了氧化钛微粒的所述氧化钛纳米线。