[发明专利]一种超长TiO2纳米线阵列薄膜光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池领域，涉及一种通过一次溶剂热反应合成超长TiO₂纳米线阵列薄膜光阳极的制备方法。

背景技术

能源是国民经济发展和人民生活水平提高的重要物质基础。随着人类社会生产力水平的不断提高，能源的消费量也在不断的增长。同时，大规模使用化石能源所引发的能源危机和环境恶化成为人类亟待解决的首要问题。特别是1973年能源危机的爆发，更促使世界各国加快了对太阳能、风能、水能、核能等可再生能源的研究开发。太阳能作为资源最丰富的可再生能源，具有其它能源所不可比拟的优点：可再生、无污染、分布广、成本较低、功率巨大等。因此，改变现有的能源结构，如何实现对太阳能低成本、高效率的转化利用，成为世界各国政府和科研机构日益关注的课题。

作为第三代新型有机太阳能电池的染料敏化太阳能电池，由于具有理论光电转换效率高、成本低、环境友好、多色透明等优点，成为国内外竞相研究的热点。为了提高电池的光电转化效率，研究人员不断改进电池的敏化剂、电解质和半导体光阳极材料。其中，选择合适的半导体光阳极材料是提高电池的光电转化效率的重要途径。自从1991年瑞士科学家 Gr?tzel将TiO₂纳米颗粒引入染料敏化太阳能电池之后，大大提高了电池的转化效率，从而TiO₂光阳极材料引起了各国科学界的广泛关注，并形成了研究的热潮。

作为染料敏化太阳能电池最常用的光阳极材料，TiO₂纳米晶在电荷分离能力和化学稳定性等方面都具有非常优异的表现，但是随着粒子尺寸的减小，这种优势并没有得到进一步提高。随着粒子尺寸的减小，光生电子空穴对的表面复合几率就会增加，进而影响器件的性能。而与TiO₂纳米晶相比，TiO₂纳米线阵列则具有较明显的优势：（1）一维取向的单晶纳米线结构是电子的良导体，并且沿轴向没有颗粒边界，电子传输快；（2）存在表面耗尽层，该势垒可以促进电荷有效分离，降低电子和空穴的复合速率。因此，为提高TiO₂在光电转换、光催化等领域的应用，开发新型的纳米线阵列制备技术，采用低温、可控、简单的方法合成具有更高比表面积、更好取向性和结晶质量的一维TiO₂纳米线阵列，成为当前研究的热点之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的染料敏化太阳能电池TiO₂纳米晶光阳极光生载流子复合损失高的问题，而提供一种超长TiO₂纳米线阵列薄膜光阳极的制备方法。该方法通过一次溶剂热合成反应，以乙醇、盐酸和TiCl₄的混合溶液为前驱体，在FTO导电玻璃上生长出超长的一维TiO₂纳米线阵列薄膜。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种超长TiO₂纳米线阵列薄膜光阳极的制备方法，其特点在于：仅通过一次溶剂热反应过程，在一定尺寸的FTO玻璃的导电面上直接生长一层致密的TiO₂纳米线阵列薄膜，经处理后得到直径5~6 mm的圆形薄膜结构。具体制备过程如下：

步骤1、处理FTO 玻璃衬底：将FTO玻璃按照一定的尺寸切割好，将其依次放在洗涤剂水溶液、丙酮和无水乙醇中分别超声清洗10~15 min，然后依次用去离子水和无水乙醇冲洗并吹干。

步骤2、TiCl₄溶液的前处理：将FTO玻璃导电面朝上放入盛有0.1~0.3 M TiCl₄溶液的烧杯中60~90℃条件下处理10~60 min，取出后依次用去离子水和乙醇冲洗并吹干。

本步骤中所使用的TiCl₄溶液的配制方法如下：

将250 mL去离子水和 41.7 mL浓盐酸加入 500 mL 烧杯中。冰浴搅拌条件下，向烧杯中缓慢滴加55 mL TiCl₄，搅拌至溶液澄清后用500 mL容量瓶定容，转移至广口瓶冷冻保存，得到1 M 的TiCl₄溶液。前处理时将上述TiCl₄溶液用去离子水稀释至浓度为0.1~0.3 M，经过60~90℃条件下处理10~60 min处理后，使得FTO玻璃衬底上生长一层TiO₂种子层。

步骤3、FTO种子层的退火处理：将FTO玻璃导电面朝上放在加热板上，空气流通条件下在管式加热炉中进行程序控温加热处理，随后待玻璃片自然冷却至室温，取出备用。