[發(fā)明專(zhuān)利]摻雜非金屬的染料敏化TiO2納晶薄膜光電極的制備方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910088194.4
• 申請(qǐng)日: 2009-07-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101587779A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-11-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張敬暢;李啟云;楊秀英;曹維良;李海平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京化工大學(xué);海南科技職業(yè)學(xué)院
• 主分類(lèi)號(hào): H01G9/042
• 分類(lèi)號(hào): H01G9/042;H01M14/00;H01L51/48
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 劉 萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于染料敏化太陽(yáng)能電池的TiO₂納晶薄膜光電極的制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及由含有摻雜非金屬的大顆粒TiO₂納晶和摻雜非金屬的TiO₂納晶顆粒的膠體制備摻雜非金屬的染料敏化TiO₂納晶薄膜光電極的方法。

背景技術(shù)

作為最理想能源的太陽(yáng)能電池利用技術(shù)近年來(lái)已經(jīng)被越來(lái)越多的國(guó)家重視和利用，然而，他們?nèi)晕幢粡V泛使用，其原因包括由于在現(xiàn)階段太陽(yáng)能電池自身性能難于與傳統(tǒng)化石能源發(fā)電技術(shù)相媲美；硅太陽(yáng)能電池制造本身是一個(gè)能耗極大的產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，一種染料敏化型太陽(yáng)能電池以其制作工藝簡(jiǎn)單，成本控制極低，轉(zhuǎn)換效率不受理論限制等諸多優(yōu)勢(shì)引起研究者的注意。Graetzel(瑞士)等在1991年開(kāi)發(fā)了一種新型的使用光電轉(zhuǎn)換器件的太陽(yáng)能電池。其包括：用作電極的薄膜基板、該薄膜基板對(duì)位于透明導(dǎo)電基板上的染料敏化并由氧化物半導(dǎo)體微粒組成、由對(duì)電極組成的基板，該對(duì)電極被含有還原劑(例如鉑)并被設(shè)置成使得與薄膜基板面對(duì)、置于薄膜基板和該對(duì)電極組成的基板之間的電荷遷移層(含有氧化還原物質(zhì)的電解質(zhì))。這里，吸附釕配合染料于多孔二氧化鈦電極使得該光電電池具有與硅太陽(yáng)能電池相近的性能(J.Am.Chem.Soc.115(1993)6382)。

在染料敏化太陽(yáng)能電池中，一方面，納米尺度的TiO₂半導(dǎo)體由于具有合適的禁帶寬度、耐光腐蝕性能好、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)而于近年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。染料敏化TiO₂納晶薄膜由TiO₂納晶顆粒互相連接形成多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既提供了電子輸運(yùn)通道，又提供了供染料吸附的大比表面積，而且薄膜本身能吸收紫外區(qū)區(qū)域的光。吸附在納晶薄膜表面的光敏分子染料吸收光能是染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率的提前，提高光吸收效率是提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要關(guān)鍵。另一方面，經(jīng)TiO₂納晶多孔薄膜電極以進(jìn)一步提高染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也開(kāi)始成為人們的研究熱點(diǎn)。染料敏化太陽(yáng)能電池中，敏化分子染料受光激發(fā)產(chǎn)生電子，光生電子注入到TiO₂導(dǎo)帶中，然后由導(dǎo)帶通過(guò)外電路傳輸從而形成光電流；在此過(guò)程中保證電子在納晶薄膜內(nèi)的高速傳輸是影響光電轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要的因素。

摻雜非金屬的TiO₂納晶顆粒一方面可以改變半導(dǎo)體的性能，使摻雜后的TiO₂吸收光的范圍擴(kuò)充到可見(jiàn)光區(qū)域，作為施主提供更多的載流子進(jìn)而提高導(dǎo)電率；另一方面可以改變TiO₂能帶的位置進(jìn)而提高光電壓和光吸收效率。目前文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)中的非金屬摻雜廣泛應(yīng)用在光催化領(lǐng)域，但是還未曾有人應(yīng)用到太陽(yáng)能電池領(lǐng)域。因此本發(fā)明的首要出發(fā)點(diǎn)是采用非金屬摻雜的TiO₂納晶顆粒的膠體制備納晶薄膜電極，在此基礎(chǔ)上再添加非金屬摻雜的大顆粒TiO₂來(lái)增加納晶薄膜的光吸收性能，從而提高TiO₂納晶薄膜電極的吸光效率，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于用溶膠-凝膠法(sol-gel法)和沉淀法分別制備了摻雜非金屬的TiO₂納晶溶膠和粉體。將其應(yīng)用到染料敏化太陽(yáng)能體系中，從而提供一種非金屬摻雜的染料敏化TiO₂納晶薄膜光電極的制備方法。

在本發(fā)明中，把非金屬元素?fù)饺氲桨雽?dǎo)體化合物TiO₂的晶格中，使得摻雜后TiO₂的能帶位置發(fā)生變化，能隙明顯變小，納晶TiO₂制備的薄膜本身吸收光的范圍擴(kuò)充到可見(jiàn)光區(qū)域，從而提高了光電壓和吸光效率，進(jìn)而提高了光電轉(zhuǎn)換效率。

本發(fā)明摻雜非金屬的染料敏化TiO₂納晶薄膜光電極的制備方法包括以下步驟：

(1)將鈦鹽于溶劑混合配置成鈦鹽溶液，將非金屬摻雜劑和溶劑混合后配置成摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與非金屬摻雜劑溶液混合，在溶液中進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中Ti原子與摻雜非金屬元素原子數(shù)目比為5∶1-1∶1，優(yōu)選為2∶1。反應(yīng)后的溶膠在常溫下放置5小時(shí)-48小時(shí)，優(yōu)選為24小時(shí)。得到摩爾濃度為0.5M-2M透明穩(wěn)定的非金屬摻雜的TiO₂溶膠；