[發(fā)明專利]用于染料敏化太陽能電池的TiO2納米棒陣列的制法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910157875.1
• 申請日: 2009-07-09
• 公開（公告）號: CN101944439A
• 公開（公告）日: 2011-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李燦;孟立建
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/44;H01L51/46;H01L51/48;C23C14/35;C23C14/08
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周長興

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池材料制備及應(yīng)用領(lǐng)域，具體地涉及一種染料敏化太陽能電池的TiO₂納米棒陣列的制備方法。

背景技術(shù)

1991年，瑞士科學(xué)家Gratzel用納米多孔Ti_O2薄膜作為光電極制備了一種新型太陽能電池，稱其為染料敏化太陽能電池，所獲得的效率達到7％，現(xiàn)在這種電池的效率已經(jīng)超過了11％。近些年來，納米晶TiO₂作為電極材料已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在染料敏化太陽能電池(DSSC)器件上。染料敏化太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率與TiO₂薄膜材料的性質(zhì)有著很大的關(guān)聯(lián)，它包括薄膜的比表面積、孔隙率、光的散射性能以及構(gòu)成納米晶膜材料的TiO₂晶型、粒徑等。二氧化鈦具有三種常見的晶型，即銳鈦礦、板鈦礦和金紅石。具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的二氧化鈦納米晶材料制備的電池具有較好的光電轉(zhuǎn)換效率。但長期以來TiO₂薄膜的制備依賴于溶膠凝膠方法，對TiO₂膜的可控性不完善、重復(fù)性不好、制備的納米晶TiO₂也是無序的，所有這些都不利于DSSC效率的提高。化學(xué)方法制備的TiO₂納米棒和納米管陣列也已經(jīng)被應(yīng)用在DSSC上，其優(yōu)點是納米棒或納米管陣列有著較大的表面積，有利于染料的吸附。此外，這些一維納米結(jié)構(gòu)的TiO₂也有利于提高電子傳輸特性進而改善光電轉(zhuǎn)換效率。然而，這些化學(xué)方法很難用來制備大面積均勻的可重復(fù)性的TiO₂納米棒陣列。

反應(yīng)磁控濺射技術(shù)是一種適合工業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)，磁控濺射是一種低溫物理成膜技術(shù)，可以在低溫條件下通過具有一定能量的沉積離子的動力學(xué)過程而形成TiO₂薄膜，因而不會因化學(xué)方法在成膜中存在殘留的有機雜質(zhì)。此外還具有成膜面積大、薄膜與基材結(jié)合力高、成膜均勻、可以連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點。除此之外，這種低溫成膜技術(shù)還可以用來在有機柔性襯底上沉積二氧化鈦薄膜。到目前還未見到任何有關(guān)用濺射技術(shù)制備二氧化鈦納米棒陣列的報道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單的DSSC用TiO₂納米棒陣列的制備方法。

本發(fā)明利用直流反應(yīng)磁控濺射技術(shù)制備TiO₂納米棒陣列的方法并將其用于染料敏化太陽能電池，可以按照下述技術(shù)方案實行：

先將干凈的襯底(玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃或FTO導(dǎo)電玻璃)放入直流反應(yīng)磁控濺射裝置的真空室內(nèi)，真空室抽空到小于1×10^-3Pa，濺射氣體和反應(yīng)氣體的壓力分別獨立進行控制(用Ar氣作為濺射氣體，O₂氣作為反應(yīng)氣體)。O₂反應(yīng)氣體通過一條額外的管道引入到襯底表面，并在氧氣壓強為0.09-1Pa，濺射壓強為1-5Pa，濺射功率為200-250W，靶到襯底的距離為40-80mm時進行直流反應(yīng)磁控濺射生長TiO₂納米棒陣列。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1)設(shè)備簡單，操作方便。

2)可重復(fù)性好。

3)采用直流反應(yīng)磁控濺射方法，可以大面積均勻生長TiO₂納米棒陣列。

4)使用金屬靶材制備方便。

5)本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒具有非常強的(220)擇優(yōu)取向。

附圖說明

圖1是用本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒陣列的場發(fā)射掃描電鏡照片。

圖2是ITO導(dǎo)電玻璃上用本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒陣列的X射線衍射圖，X軸向為衍射角(2θ)，Y軸為強度(a.u.)。

圖3是靶襯底之間距離為40mm時用本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒陣列的場發(fā)射掃描電鏡照片。

圖4是靶襯底之間距離為80mm時用本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒陣列的場發(fā)射掃描電鏡照片。

圖5是壓強為5Pa時用本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒陣列的場發(fā)射掃描電鏡照片。

圖6是壓強為1Pa時用本發(fā)明方法制備的TiO₂納米棒陣列的場發(fā)射掃描電鏡照片。

圖7是用本發(fā)明方法沉積6個小時制備的TiO₂納米棒陣列的場發(fā)射掃描電鏡照片(納米棒長度約為3微米)。