[發明專利]高光電效率二氧化鈦光納米管陣列光陽極的制備方法

無效

• 申請號: 201010190390.5
• 申請日: 2010-06-02
• 公開（公告）號: CN101872682A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 楊峰;蔡芳共;趙勇
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/48
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種光陽極材料的制備方法，特別是一種高電流密度、高光電效率的二氧化鈦光納米管陣列光陽極的制備方法。

背景技術

能源問題是制約各國經濟發展的重要問題，太陽能因其具有清潔、便利、取之不盡等優點，成為21世紀最有前景的新能源之一。1991年瑞士教授以納米多孔TiO₂為半導體電極，發展了一種新型的染料敏化TiO₂納米晶薄膜太陽能電池，取得了7.1％的光電轉換效率；2001年Grimes教授首次在含氟的電解液中，通過陽極氧化法制備出具有定向排列的TiO₂納米管陣列，因其獨特的結構，使得它具有更大的比表面積和更強的吸附能力，在光電轉換方面表現出更高的效率。但由于TiO₂是一種寬禁帶半導體(Eg＝3.2eV)，對大部分可見光不能進行有效地吸收利用，同時也不能完全避免因光生電子與空穴復合而導致的光量子效率下降。可以在一定程度上解決這些問題，提高TiO₂納米管陣列光陽極的電流密度和光電轉換效率，提高其在太陽能利用方面的實用性能。因為PbS可以吸收紅外和可見光，所以目前用PbS敏化TiO₂是提高太陽能電池效率的一個重要手段，然而這類電池的效率都不高，不超過1％。

發明內容

鑒于現有技術的以上缺點，本發明的目的是提供一種制備具有高電流密度、高光電效率的二氧化鈦光納米管陣列光陽極的方法，以進一步提高二氧化鈦納米管材料在太陽能方面的實用化性能。

本發明的目的是通過如下的手段實現的。

高光電效率二氧化鈦光納米管陣列光陽極的制備方法，利用窄帶半導體對TiO₂納米管陣列進行修飾，其特征在于：通過陽極氧化法制得二氧化鈦納米管陣列模板，所得陣列模板經450℃退火3.5小時；再將其依次浸漬于硝酸鉛溶液、去離子水、硫化鈉溶液和去離子水中，所述溶液中鉛和硫摩爾比Pb∶S＝1∶1；循環5-8次，最后經超聲處理，得到硫化鉛修飾的二氧化鈦納米管陣列光陽極。

本發明提供了一種有效的窄帶半導體PbS填充進TiO₂納米管陣列的管內及管隙的方法。一方面，PbS的禁帶較窄，有利于對光子的吸收；另一方面，經超聲后PbS與TiO₂納米管黏結緊密，形成穩定的pn結，從而達到提高電流密度和光電轉換效率的目的。本發明的二氧化鈦納米管陣列光陽極材料制備方法簡單，制備的二氧化鈦納米管陣列光陽極材料電流密度和光電轉換效率較高，可以直接應用。

附圖說明

圖1、二氧化鈦納米管陣列正面SEM圖像。

圖2、二氧化鈦納米管陣列斷面面SEM圖像。

圖3、超聲前PbS敏化二氧化鈦納米管陣列正面SEM圖像。

圖4、超聲后PbS敏化二氧化鈦納米管陣列正面SEM圖像。

圖5、二氧化鈦納米管陣列光陽極材料的I-V曲線圖。

具體實施方式

以下是結合實施例對本發明做的進一步說明

實施例一

將鈦箔作為陽極，鉑片作為陰極，在含有質量分數為0.25％氟化銨的乙二醇溶液中，在60V恒壓下進行陽極氧化，時間為6小時，得到二氧化鈦納米管陣列。所得陣列模板經450℃退火3.5小時，二氧化鈦納米管陣列內徑約為100nm，壁厚約為25nm，見圖1；管長約為10μm見圖2，。再將其依次浸漬于硝酸鉛溶液、去離子水、硫化鈉溶液和去離子水中，所述溶液中鉛和硫摩爾比Pb∶S＝1∶1；在本實施例中為濃度為0.10mol·L^-1的Pb(NO₃)₂和濃度為0.10mol·L^-1的Na₂S溶液，循環浸漬5-8次。得到硫化鉛修飾的二氧化鈦納米管陣列光陽極，在TiO₂納米管陣列的管內及管隙間形成PbS，并最終在TiO₂納米管陣列表層形成厚厚一層，見圖3。最后經超聲處理20分鐘，使覆蓋在TiO₂納米管陣列表層的多余PbS脫落，即暴露出納米管陣列，同時超聲處理可使納米管的管內壁及管外壁與PbS緊密黏結在一起，見圖4。

在150mW/cm²的模擬光照下，以Pt箔作為對電極，Ag/AgCl作為參比電極，1mol/L的Na₂S溶液作為電解液，測得以上步驟所得到的PbS修飾的TiO₂納米管陣列光陽極的I-V曲線(圖5)，TiO₂納米管陣列光陽極的電流密度(J_sc)和光電轉換效率(η)得到顯著提高，分別達到J_sc＝62.95mA/cm²和η＝1.81％。