[发明专利]同时刻蚀与钨掺杂的氧化钛纳米线阵列及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种能同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列及其制备方法和在太阳能电池中的应用。 

背景技术

近年来，随着全球化石燃料的枯竭带来的能源危机，人们对于寻找可持续能新能源的需求日渐增长。太阳能作为一种清洁无污染的可持续发展能源，高效利用太阳能吸引全世界研究者的关注。一般利用太阳能资源可分为两大类：一类是太阳能电池，将太阳能转换为电能利用，但由于太阳能电池的电能需及时使用，不能长期储存，因而在实际使用中会存在并网、储能等问题；另一类是光化学电池，将太阳能转换为化学能利用，如太阳能分解水制氢，此种能源无需进一步转换，可直接储存长期使用。 

二氧化钛作为一种半导体能带结构和稳定性，因而在光解水上被广泛研究，但是二氧化钛存在带隙过大的问题，只能吸收紫外区的光，太阳能利用效率过低，需要通过掺杂来缩小带隙，增强光吸收。掺杂方法一般有两类：前合成掺杂和后处理掺杂。前合成掺杂需要在合成时加入掺杂物质前驱体，这类掺杂一般比较均匀，但对材料的形貌结构可能存在影响。后处理掺杂能保持材料的本征形貌，一般需要高温退火，但很多材料和基底无法承受高温处理。本发明利用二氧化钛在较低温度下的刻蚀过程，进行了较低温度下的水热后处理钨掺杂，具有掺杂方法简单方便、掺杂效果好的有点，方便大规模使用。 

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高效光解水制氢，并产生光电流的同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列及其制备方法和应用。 

本发明提供的同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列的制备方法，具体步骤为： 

 (1) 将水与浓酸混合0.1–0.5小时后，向其中加入钛源，搅拌状态下反应5–10 min；然后转移到反应釜中，将适当大小的基底正面朝下放入釜内，140–180℃条件下反应4–20个小时；

(2) 将上述步骤制得的产物冲洗干净、吹干，于空气气氛中450–550℃温度条件下焙烧1–2小时，获得纯二氧化钛纳米线阵列；

(3) 将上述步骤制得的纯二氧化钛纳米线阵列置于盐酸羟胺、硫化钠和钨酸钠水溶液中，150-200℃条件下反应2-10个小时，即可获得同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列。

本发明中，所述的钛源可以是硫酸氧钛、硫酸钛、四氯化钛、四异丙醇钛、正丁醇钛、四乙胺基钛、四丙胺基钛或四丁胺基钛中的一种或多种。 

本发明中，所述的浓酸可以为浓盐酸或硝酸。 

本发明中，所述的基底可以是FTO玻璃或旋涂有二氧化钛晶种的硅片或玻片。 

本发明中，第二步水热溶液为盐酸羟胺、硫化钠和钨酸钠水溶液；第二步水热时同时刻蚀和钨掺杂。 

本发明中，同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列能利用太阳能光解水产生光电流同时制氢。 

本发明纳米线阵列的可应用于太阳能电池：以同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列为工作电极，Ag/AgCl电极为参比电极，铂丝为对电极，0.1–1 M的氢氧化钠或氢氧化钾溶液为反应溶液，照射光强度为一个太阳光，照射截面积为可根据工作电极的面积大小调节。 

本发明同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛阵列是采用水热法制备，通过较低温度下的同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列，实现高效光解水制氢同时产生光电流的性能。同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列具有制作工艺简单，成本低，稳定性好，光电转化效率高并对环境友好的特点，适合大面积生产，对于太阳能电池研究上具有重要意义，在新能源领域也具有很好的应用前景。 

附图说明

图1：a–c为纯二氧化钛纳米线阵列的SEM照片；d-f为同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列的SEM照片。 

图2：a为同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛的光电流曲线（实线）和暗电流曲线（虚线）；b为在0.23 V vs Ag/AgCl条件下的时间-光电流曲线。 

图3为同时刻蚀和钨掺杂二氧化钛纳米线阵列制备原理图示。 

具体实施方式

下面，通过以下实施例对本发明作进一步说明，它将有助于理解本发明，但并不限制本发明的内容。