[发明专利]染料敏化太阳能电池纳米TiO2膜光阳极用浆料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池领域，具体涉及染料敏化太阳能电池纳米TiO₂膜光阳极用浆料的制备方法。

技术背景

纳米半导体多孔膜电极是染料敏化太阳能电池(DSSC)的核心部分，它在DSSC中是染料分子的吸附载体、染料分子电子的接受体，同时也是电子的输送层，对DSSC的性能具有决定性的影响。其制作原料一般采用TiO₂、SnO₂、ZnO等价格低廉、带隙较宽的n型半导体金属氧化物。其中，锐钛矿型TiO₂的带隙为3.2eV，具有光电性能优异，光、电、化学稳定性高，元素等特点，是用来制备纳米半导体多孔膜电极的最佳材料。目前，纳米半导体多孔膜的制备方法大多采用丝网印刷法、刮涂法（手术刀法）、旋涂法等。这些方法的使用都是基于具有适当浓度，较好的分散性和稳定性的含钛化合物（一般为纳米TiO₂）浆料。浆料中钛化合物的前驱物大量采用商品纳米TiO₂粉。近年来，为了便于控制浆料的性能以获得更好的DSSC光电转化效率，也开始采用各种形式的含钛可溶化合物为原料，通过各种工艺方法合成制备纳米TiO₂光阳极膜所需的浆料。

1、以商品纳米TiO₂粉为原料合成浆料

现在，被各研究者广泛认可的商品纳米TiO₂是degussa P25，为从德国进口的产品。属于混晶型，锐钛矿和金红石的重量比大约为80/20，由于两种结构混杂增大了TiO₂晶格内的缺陷密度，增大了载流子的浓度，使电子、空穴数量增加，使其具有更强的捕获在TiO₂表面的溶液组份（水、氧气、有机物）的能力。

以P25为原料合成的浆料分为水系和松油醇系两大类。对于临时制作，不需要长期保存的浆料而言，一般采用水系浆料。主要以乙酰丙酮为分散剂，再配以适当的表面活性剂或其它高分子物质，通过手工或机械研磨一段时间之后，即成为可以用以涂膜的浆料。在表面活性剂中，以乳化剂OP10和曲拉通（Triton）X-100应用最多。应用较多的高分子化合物主要有不同分子量的聚乙二醇，如PEG20000（聚乙二醇，分子量为20000），PEG600（聚乙二醇，分子量为600），PEG2000（聚乙二醇，分子量为2000）等，其分子量不同，其所起的作用也随之而变化。在一些要求不高的简化的浆料合成过程中，所采用的浆料成分极少。如有人将纳米粉醇洗之后，只加入PEG20000，手工研磨均匀即用以涂膜。还有人在乙醇水溶液里仅加入乙二醇，借助于超声和手工研磨均匀后直接涂膜。这类制作分散性不好，容易团聚，稳定性极差，无规模应用意义。

对于需要制备较多数量和长期保存的要求下，一般采用松油醇系浆料。类似于水系浆料中，在油系浆料中一般也使用乙酰丙酮作为分散剂，以乙基纤维素作为粘结剂，必要时可加入PEG2000作为造孔剂，以提高所制备膜的比表面积。这类浆料有机物含量极多，制作成本较高；高温处理时，由于有机物的挥发和分解，释放出大量的有害废气。

2、以钛醇盐为原料

在DSSC光阳极制备用浆料的合成中主要应用钛酸丁酯和异丙醇氧钛两种钛醇盐为前驱物，而前者使用较多。一般是按sol-gel工艺合成所需要的粉体或者直接合成浆料。在此工艺中，先将上述钛有机化合物配制成相应的溶液，然后加入适量水使钛水解而转变成钛的胶体分散体系，反应一段时间后胶体开始聚沉，形成粘度很大的体系即凝胶。将此凝胶进行热处理即可获得相应的粉体。但更多时候为了提高性能，常常与水热过程结合在一起。

将钛酸丁酯迅速加入水中，经调整搅拌水解后，用砂蕊漏斗过滤。水解物经洗涤后加入到一定浓度的有机碱水溶液中（如四甲基氢氧化铵等）。此混合物在密封条件下于80℃下反应12h，继续移入水热反应釜中于200℃下反应12h，形成牛奶状白色胶体。加入PEG20000，调节浓度和粘度后即可用于涂膜。这是一种胶溶配合水热的制备方法，使用价格较高的钛醇盐和有机碱为原料，工艺时间较长。

将异丙醇氧钛加入乙酸溶液中剧烈搅拌使其水解，然后于250℃下进行水热处理。之后加入以乙基纤维素的乙醇溶液，并将浆料进行适当浓缩。加入松油醇、聚丙烯酸酯和TritonX-100，搅拌均匀即可用于涂膜。该方法原料价昂且不稳定，为全有机物体系，高温处理释放出大量有害废气。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的纳米TiO₂光阳极膜所需浆料的制备方法成本较高、工艺复杂。