[發(fā)明專利]一種二氧化鈦光電極及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110103363.4
• 申請日: 2011-04-25
• 公開（公告）號(hào): CN102760581A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫文濤;彭練矛;艾果
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G9/042
• 分類號(hào): H01G9/042;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 北京君尚知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 李稚婷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于太陽能光電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，具體涉及一種新型高效納米復(fù)合結(jié)構(gòu)二氧化鈦薄膜及其制備方法，以及一種采用這種復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜的光電極。

背景技術(shù)

用二氧化鈦?zhàn)鳛楣怆姌O是目前研究較多并且有著良好使用前景的領(lǐng)域。二氧化鈦由于其廉價(jià)穩(wěn)定高效的優(yōu)點(diǎn)迅速成為研究熱點(diǎn)。研究顯示二氧化鈦納米棒/線陣列結(jié)構(gòu)薄膜由于其規(guī)則的排列，具有很好的電子傳輸通道及電子收集效率。但二氧化鈦納米棒/線陣列相比二氧化鈦納米顆粒薄膜比表面積小很多，這使它不能吸附足夠量的染料，對于光吸收影響很大。如果能夠結(jié)合二氧化鈦納米棒/線陣列和二氧化鈦納米顆粒薄膜的優(yōu)點(diǎn)，使光電極在增大比表面積同時(shí)，保留納米棒/線陣列的電子傳輸優(yōu)勢，對于進(jìn)一步提高光電極的光電轉(zhuǎn)化效率將很有指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是基于上述提高二氧化鈦光電極光電轉(zhuǎn)化效率的原理，提供一種新型的二氧化鈦光電極，在二氧化鈦納米棒/線陣列的基礎(chǔ)上構(gòu)筑二氧化鈦納米棒/線-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄膜，加強(qiáng)染料敏化二氧化鈦光電極對可見光的響應(yīng)，并以此提高電極的光電轉(zhuǎn)化性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種二氧化鈦光電極，包括導(dǎo)電基底，在導(dǎo)電基底上排列有二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列，在二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列中填充有二氧化鈦納米顆粒。

上述二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列和填充其中的二氧化鈦納米顆粒構(gòu)成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜，將該薄膜作為染料敏化太陽能電池的光陽極，能顯著增強(qiáng)電池效率。

本發(fā)明二氧化鈦光電極中，二氧化鈦納米棒(或納米線)優(yōu)選垂直排列在基底上，這樣有利于電子的傳輸和光生電子的收集，而二氧化鈦納米顆粒填充在二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列中，環(huán)繞包裹于納米棒(或納米線)周圍。

本發(fā)明的二氧化鈦光電極的制備方法包括以下步驟：

1)在導(dǎo)電基底上制備二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列；

2)利用液相法在二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列的基礎(chǔ)上生長二氧化鈦納米顆粒，形成二氧化鈦納米棒-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)的薄膜。

上述步驟1)可以采用水熱法、模板法制備二氧化鈦納米棒(或納米線)陣列。

上述步驟2)是在納米棒(或納米線)初級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上構(gòu)造次級(jí)結(jié)構(gòu)，將二氧化鈦納米棒陣列放入含有鈦前驅(qū)體的酸性水溶液中進(jìn)行二氧化鈦納米顆粒的生長，使二氧化鈦納米顆粒充滿納米棒(或納米線)陣列中。通常來講，該溶液中Ti⁴⁺或Ti³⁺的濃度為0.3-0.7摩爾/升，溶液的pH值在5以下，將溶液加熱到50-100℃，反應(yīng)2-8小時(shí)不等，然后取出在空氣中自然晾干可以得到納米顆粒-納米棒復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜。該薄膜可直接用于制備染料(或量子點(diǎn))敏化太陽能電池，也可以先在350-600℃之間熱處理1小時(shí)再用于制備染料(或量子點(diǎn))敏化太陽能電池，可以改善電池性能。

上述鈦前驅(qū)體是含有Ti⁴⁺或Ti³⁺的化合物，如鈦酸四丁酯、鈦酸乙酯、鈦酸丙酯、四氯化鈦或三氯化鈦等，所述含有鈦前驅(qū)體的酸性水溶液中Ti⁴⁺或Ti³⁺的濃度為0.3-0.7摩爾/升。

本發(fā)明的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)光電極以二氧化鈦納米棒(線)陣列為基本構(gòu)架，故具有快速電子輸運(yùn)性能；在納米棒(線)初級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上構(gòu)筑二氧化鈦納米顆粒次級(jí)結(jié)構(gòu)，故具有較大的比表面積。這種氧化鈦納米棒-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)可以加強(qiáng)電極對敏化劑的吸附，使得二氧化鈦光電極對可見光的吸收明顯增強(qiáng)，同時(shí)為電子輸運(yùn)提供便捷途徑，提高電子在二氧化鈦電極中的傳輸速度，從而提高電極的光電轉(zhuǎn)換效率。具體體現(xiàn)為以此電極為光陽極的染料敏化光電池效率顯著增加。而且，本發(fā)明光電極的制備方法可以通過控制溶液配比、反應(yīng)時(shí)間和溫度等進(jìn)行調(diào)整，簡單易行，可重復(fù)性好。

附圖說明

圖1是二氧化鈦納米棒陣列的正面(a)和橫截面(b)掃描電鏡照片，二氧化鈦納米棒-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)電極的正面(c)和橫截面(d)掃描電鏡照片，以及二氧化鈦納米棒-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)的透射電鏡照片(e和f)。

圖2是二氧化鈦納米棒(a)、二氧化鈦納米棒-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)(b)的X射線衍射圖。

圖3是二氧化鈦納米棒(a)、二氧化鈦納米顆粒(b)、二氧化鈦納米棒-納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)(c)作為光電極的染料敏化太陽能電池在AM1.5100mW/cm²光照下的伏安特性曲線以及它們相對應(yīng)的暗電流曲線(d，e，f)。