[發明專利]葉片狀二氧化鈦納米陣列薄膜電極制備及其在染料敏化太陽電池中的應用

有效

• 申請號: 201110175027.0
• 申請日: 2011-06-27
• 公開（公告）號: CN102683032A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 孟哈日巴拉;付烏有;孫光;曹建亮;王燕;張戰營
• 申請（專利權）人: 河南理工大學
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/48;H01L51/44
• 代理公司: 鄭州紅元帥專利代理事務所(普通合伙) 41117
• 代理人: 秦舜生

技術領域

本發明屬于染料敏化太陽電池技術領域，具體是一種二氧化鈦納米陣列薄膜電極制備及其在染料敏化太陽電池中的應用。

背景技術

能源是整個世界發展和經濟增長最基本的驅動力，是人類賴以生存的基礎。發展太陽電池是解決世界范圍內的能源危機和環境問題的一條重要途徑，一直是國內外研究的熱點和焦點。在太陽電池的研究中較成熟的是單晶硅太陽電池，但由于其成本高，制造工藝復雜，廣泛應用受到了限制。1991年瑞士聯邦高工的Gr?tzel教授等在Nature上發表了關于染料敏化納晶二氧化鈦介孔薄膜電極太陽電池（Nature?1991,?353,?737-740）（簡稱為染料敏化太陽能電池）的突破性工作進展，以其相對廉價的原材料、簡單的制備工藝和高光電轉換效率引發了納米結構有機/無極雜化光伏電池研究的熱潮。染料敏化太陽能電池(Dye-Sensitized?Solar?Cells,?DSC)關鍵的核心元件包括介孔TiO₂薄膜電極、光敏染料、電解質和對電極。

介孔薄膜電極是DSC的核心部分，作為染料分子吸附載體、電子接受體及電子輸運層，對DSC的性能具有決定性的影響。基于介孔TiO₂薄膜的光陽極可以同時保證高的光捕獲率和高的光電轉換效率。并且，制作介孔TiO₂薄膜電極的氧化物半導體與染料分子中的羧基形成酯鍵，酯鍵結合有利于光誘導電子轉移，可增強光陽極對可見光的響應，將其吸收譜帶拓展到可見光區乃至近紅外區，提高了對太陽光的利用效率。

介孔TiO₂薄膜電極有巨大的表面積，一方面，可吸附大量的染料分子，以捕獲更多的太陽光，表面積越大，所吸附的染料分子數越多，電流也隨之增強，進而提高光電轉化效率；另一方面，染料分子將電子注入到介孔TiO₂薄膜中，由TiO₂半導體網絡傳輸到收集電極。介孔TiO₂薄膜的巨大的表面積也增加了電極表面的電荷復合的機會，并且納米顆粒之間的晶界勢壘阻礙載流子的輸運，限制載流子遷移率低。因此，人們采用多種物理、化學修飾技術對介孔TiO₂薄膜進行表面改性，改善光陽極的特性，利用復合、摻雜、表面包覆等方法對TiO_2?薄膜進行修飾，取得了很好的進展。

納米TiO₂的微觀結構，如粒徑、空隙度對太陽能電池的光電轉換效率具有非常大的影響。粒徑太大，染料的吸附率低，不利于器件光捕獲；粒徑太小，界面太多，晶界勢壘阻礙載流子的輸運，載流子遷移率低，也不利于載流子收集。最近研究表明，一維納米結構具有顯著的電子輸運性能。加州大學楊培東研究小組發展了種子生長法，在氟摻雜氧化錫（FTO）導電玻璃表面引入ZnO晶種，利用溫和的濕化學法，誘導生長ZnO納米線陣列薄膜電極，并組裝成染料敏化太陽能電池，研究表明ZnO納米線的電子壽命大于ZnO或TiO₂納米顆粒。另有報道，利用TiO₂納米顆粒和納米線混合制備介孔薄膜電極組裝的染料敏化太陽能電池短路電流密度和開路電壓都比純TiO₂納米顆粒的高，從而獲得更高的器件效率。

目前報道的一維結構納米陣列薄膜電極的制備及其在染料敏化太陽電池中應用有以下幾種類型：ZnO納米棒陣列；金屬鈦基底陽極氧化法制備的納米TiO₂管陣列；導電玻璃表面沉積金屬鈦薄膜后，通過陽極氧化法制備的TiO₂納米管陣列；以及導電玻璃表面誘導生長或者模版制備的納米TiO₂管陣列納米棒陣列等薄膜電極等。ZnO納米棒陣列的制備技術較成熟，但由于材料本身的缺陷而制作的器件光電轉換效率較低。TiO₂納米管和納米棒陣列等存在直徑比較大和制備方法復雜等缺點，導致顯著降低薄膜電極的粗糙度而減少染料吸附量，并且光散射率提高而降低透過率，限制增加薄膜厚度的方法來提高染料吸附量。

發明內容

針對上述同類技術的不足，本發明的目的是提供一種葉片狀二氧化鈦納米陣列薄膜電極制備及其在染料敏化太陽電池中的應用。

本發明薄膜電極制備方法是：

1、洗滌、拋光。將金屬鈦箔片依次用蒸餾水、無水乙醇超聲清洗后，用去離子水洗凈；將清洗好的鈦箔片放入含氫氟酸酸與硝酸的混合溶液中，加熱，保溫化學拋光后，再用去離子水超聲清洗。