[发明专利]一种混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料和新能源技术领域，特别涉及一种混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛薄膜及其制备方法。

背景技术

目前，染料敏化纳米晶二氧化钛（TiO₂）薄膜太阳能电池（DSSCs）是一种新型高效、低成本太阳能电池。自1991 年由瑞士洛桑联邦理工学院Gr?tzel提出以来，染料敏化纳米晶TiO₂太阳能电池一直是国内外研究的热门课题。其采用纳米多孔TiO₂薄膜电极替代传统的平板电极，以二价钌(II)的多吡啶配合物作敏化剂，用I₃^- / I^-氧化还原电对电解质体系制备DSSCs，在1993年能量转换效率达到了10%，其转换效率可与非晶硅薄膜太阳能电池相媲美。染料敏化纳米晶TiO₂薄膜太阳能电池生产工艺简单、制备电池过程耗能较少、能源回收周期短、生产成本较低（仅为硅太阳能电池的1/5～1/10）、可弱光发电、透明性好、光电转化效率受温度影响小等优点。这些优点使其有望成为下一代实用性高性能太阳能电池，因此吸引了欧、美、澳、日、韩众多科学家与企业大力进行研究和开发。

DSSCs光阳极半导体材料主要是利用其巨大的表面积来吸附单分子层染料，同时也是电荷分离和传输的载体。到目前为止，性能最为优良的光阳极半导体材料仍然是TiO₂，当染料分子捕获光子并将电子注入到TiO₂的导带时，电子的扩散过程尤为重要。快速的电子迁移速率是提高光阳极半导体性能的重要因素。在传统的纳米晶薄膜电极中，人们利用纳米颗粒的结构提供了巨大的表面积，吸附大量的单分子层染料分子，提高了太阳光的收集效率；然而半导体电极的巨大表面积也增加了电极表面的电荷复合，而且由于颗粒之间并非紧密堆积，电子传输到电子收集电极的路程增加，再加上颗粒之间界面众多，传输的电子会损失很大，导致电池内阻增加，从而降低太阳能电池的能量转换效率。为了提高TiO₂的导电性而做出的改性中，掺杂是一种重要方式。适当的掺杂则可以增强其光电性能。研究发现，对单晶或多晶TiO₂进行某些金属离子掺杂，可以减少电子-空穴对的复合，延长电荷寿命，从而提高电池的光电流。例如当用钨离子对TiO₂纳米粒子进行掺杂，并将钨离子掺杂的TiO₂纳米粒子制成DSSCs光阳极，在同样条件下得到了较高的能量转换效率。同样用ZrO₂掺杂TiO₂，增大了开路光电压、短路光电流密度和能量转换效率。因此通过对TiO₂掺杂诸如W、Mn、Nb、Mo等金属离子或者负离子N和Ｆ，改善了其光电性质，但是常见的掺杂只是一种价态的掺杂，多种价态的对比掺杂改性目前未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种能提高染料敏化太阳能电池性能的混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛半薄膜及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是：

混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛薄膜中铁离子为：Fe²⁺和Fe³⁺，铁原子/钛原子（Fe/Ti）比为：0.1%<Fe/Ti<10%，所述的纳米晶二氧化钛为锐钛矿型，其颗粒粒径范围为15~30 nm，薄膜为无色透明或白色薄膜。

该混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛薄膜是按照以下步骤制备的：

（1）混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛胶体的制备

将0.01~0.2 mol四异丙氧基钛逐滴滴加到10~200mL去离子水中，并在室温条件下搅拌反应1~8h，生成白色沉淀，将得到的白色沉淀进行减压过滤并用蒸馏水洗涤后，将该沉淀转移到三口烧瓶中，缓慢滴加含有0.002~0.2 mol四甲基氢氧化铵的水溶液，再加入特定量的硫酸亚铁粉末，最后加入去离子水定容至20~200mL，在100~150℃油浴中强力搅拌反应1~10h，自然冷却至室温，将反应完成后得到的白色胶体转移至高压釜内，在150~250℃的条件下水热处理6~24h；

（2）混合价态铁离子掺杂纳米晶二氧化钛薄膜的制备

将步骤（1）中得到的铁离子掺杂二氧化钛胶体自然冷却后取出，超声处理20min后，将得到的浆料通过丝网印刷方法在清洗干净的导电玻璃上形成二氧化钛薄膜，然后在马弗炉中450~550℃烧结0.5~3h，即得到混合价态铁离子掺杂二氧化钛纳米晶薄膜。