[发明专利]一种Zn掺杂TiO2

说明书

本发明公开了一种Zn掺杂TiO₂纳米晶光阳极的制备方法，具体操作步骤如下：将设定摩尔比的金属Ti粉与Zn粉溶解于盐酸溶液制备Ti离子与Zn离子溶液、制备Zn掺杂TiO₂前驱体、制备Zn掺杂TiO₂纳米晶、制备Zn掺杂TiO₂纳米晶浆料、制备量子点敏化Zn掺杂TiO₂纳米晶光阳极。本发明的工艺简单、成本低廉、可规模化、重复性好，整个工艺中最关键的两个技术是：金属Ti与Zn在酸中溶解制备前驱体离子；获得具有良好分散性Zn掺杂TiO₂纳米晶的退火工艺。采用本发明制备的光阳极通过Zn掺杂减小TiO₂材料的带隙、提高电子传输特性，从而提高电池的光电转换性能。

技术领域

本发明属于太阳能电池光阳极制备方法技术领域，具体涉及一种Zn掺杂TiO₂纳米晶光阳极的制备方法。

背景技术

近年来，随着人们对能源的需求不断增加和石化燃料储量的持续减少，寻找一种新的来源丰富、绿色环保的替代能源已成为目前科研的重要课题之一。太阳能作为一种取之不尽的天然能源日益受到全世界的关注，尤其是把太阳能直接转化为电能的太阳能电池研究已成为目前研究的热点。

敏化太阳能电池因其成本低、环境友好、制作工艺简单、可接受的转换效率而备受关注。近二十年来，人们为增强电池效率开展了许多研究工作，如半导体光阳极、敏化剂(染料或量子点)、电解质和对电极的改进。在敏化太阳能电池结构中，半导体光阳极是电池的重要组成部分之一，其主要功能是吸附敏化剂与传输光生电子。多种金属氧化物已被应用于光阳极，如TiO₂、 ZnO、SnO₂和ZrO₂。在这些金属氧化物中，纳米TiO₂具有化学稳定性好、成本低、电荷传输能力强等优点，是一种很好的候选材料。光阳极材料具有高的电子传输能力是电池性能的重要关注之一。众所周知，金属离子掺杂是调整TiO₂材料性能(费米能级、带隙和电导率)的一种重要的方法。Zn掺杂TiO₂是一种n型掺杂材料，其中过量的负电荷有助于电子的传输，并且 Zn掺杂也调整了TiO₂材料的光学带隙和费米能级。目前，Zn掺杂TiO₂在敏化太阳能电池中用于光阳极的研究已有一些报道[K.-P.Wang,H.S.Teng,Phys.Chem.Chem.Phys.,2009,11:9489；G.Zhu,Z.Cheng,T.Lv,et al. Nanoscale,2010,2,1229–1232；M-C.Wu,S-H.Chan,M-H.Jao,et al.Solar Energy Materials&Solar Cells,2016,157:447–453；J.Cao,Y.Zhu,X.Yang,et al.Solar Energy Materials&Solar Cells,2016,157:814–819.]，总结分析发现，文献中关于Zn掺杂TiO₂光阳极材料的制备，一方面，采用的四氯化钛、异丙醇钛、钛酸四丁酯作为Ti⁴⁺源和可溶性锌盐(醋酸锌、硝酸锌、氯化锌、硫酸锌)作为Zn²⁺源，虽然Zn²⁺源的成本相对较低，但Ti⁴⁺源的成本相对较高，而且此些Ti⁴⁺源在空气中很容易水解，不易控制；另一方面，采用的溶胶- 凝胶法在退火工艺中纳米晶很容易发生团聚。

发明内容

本发明的目的是提供一种Zn掺杂TiO₂纳米晶光阳极的制备方法，解决了现有溶胶-凝胶法制备Zn掺杂TiO₂纳米材料中原料成本相对较高与结晶退火过程中纳米晶容易发生团聚、分散性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种Zn掺杂TiO₂纳米晶光阳极的制备方法，具体操作步骤如下：

步骤1：制备Ti与Zn离子溶液