[发明专利]三维纳米棒花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及一种三维纳米棒花结构的多孔TiO₂纳米晶薄膜、制备方法及其在作为染料敏化太阳能电池光阳极方面的应用。

背景技术

随着人们对绿色能源的迫切需要，太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源现在已经吸引了全球的广泛关注。在太阳能的有效利用中，太阳能电池是目前发展最快、最具活力的研究领域。硅系太阳能电池是研究最早，也是目前技术最成熟的太阳能电池之一，但是由于硅系电池原料价格昂贵和繁琐的生产工艺，使人们不断寻找和开发低成本的太阳能电池作为单晶硅太阳能电池的替代品。1991年瑞士洛桑工学院的Michael 教授等利用联吡啶钌(Ⅱ)络合物染料和多孔二氧化钛纳米晶薄膜制备的染料敏化太阳能电池，在AM1.5的太阳光照射下突破性地取得了7.1％的光电转换效率，而其更具有制作工艺简单、成本低廉、稳定性好和效率高等优点。这种新型光伏电池的制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，使用寿命则长达20年以上。经过近十几年的研究，染料敏化太阳能电池的光电转换效率进一步提高到11％以上，从而大大提高了人们对染料敏化太阳能电池产业化发展的信心。

N型半导体氧化物TiO₂纳米晶薄膜是染料敏化太阳能电池最重要的光阳极材料，其承载着染料的吸附，电子的传输和对入射光的散射等任务。由于在纳米尺寸改变TiO₂的形貌可以有效改善TiO₂纳米晶薄膜的电子传输速率，入射光利用效率和染料吸附量等特性，所以目前对于多孔TiO₂纳米晶薄膜的研究是染料敏化太阳能电池研究的主要方向之一。一维的TiO₂纳米结构，例如纳米管、纳米线和纳米带，因其快速的电子传输速率受到广泛的研究，但一维纳米结构比表面积有限，不利于吸附更多的染料，且对光的散射能力一般。因此，具有高电子传输速率和大比表面积的TiO₂纳米材料成为染料敏化太阳能电池光阳极材料所追求的对象，具有深远的研究意义和广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜、其制备方法及该材料在作为染料敏化太阳能电池光阳极方面的应用。该方法制得的多孔二氧化钛纳米晶薄膜还可以广泛的应用于光催化、光化学、锂电池等其他领域。

本发明所述的染料敏化太阳能电池，由阳极导电玻璃FTO、光阳极、电解质溶液(I^-/I₃^-)和Pt对电极组成，电解质溶液通过真空回填的方法注入电池，结构如图1所示，其特征在于：光阳极材料为本发明所制备的具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜，该多孔TiO₂纳米晶薄膜具有很好的光散射作用。入射光透过导电玻璃FTO进入该多孔TiO₂纳米晶薄膜，因为该材料具有特殊的多孔结构可以多次反射并有效地吸收入射光，从而大幅度提高入射光的利用率，达到提高光电转换效率的目的。

本发明所述的一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜的制备方法，其步骤如下：

(1)量取3～6mL盐酸(浓度30～40wt.％)(北京精细化学有限公司)，加入到6mL去离子水中，磁力搅拌10～20min；

(2)量取0.2～0.4mL钛酸四丁酯(北京精细化学有限公司)，加入到步骤(1)所得到的溶液中，磁力搅拌30～60min；

(3)将步骤(2)得到的混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，并将FTO导电玻璃(日本板硝子公司)浸入到该混合溶液中，在160～200℃下反应2～5小时，自然冷却至室温后在FTO导电玻璃上生长得到一层膜厚为16～30μm的TiO₂纳米晶薄膜；

(4)将TiO₂纳米晶薄膜用去离子水冲洗3～5次，然后再用乙醇冲洗3～5次；最后把洗涤过的产物在60～80℃的真空条件下烘干5～10小时，取出后即在FTO导电玻璃上得到本发明所述的具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜。

本发明提供了一种多孔二氧化钛纳米晶薄膜，其是由上述方法制备所得，在其XRD表征图中，2θ分别为27.44、36.04、39.28、41.36、44.16、54.40、56.52、62.77、69.02以及69.90，从标准卡片上可知为金红石结构。