[發明專利]一種用于染料敏化太陽能電池的TiO2納米管陣列及其制備方法

有效

• 申請號: 201210499338.7
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN102983010A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發明（設計）人: 馬清;陳建軍;劉紹軍;檀滿林;李冬霜;符冬菊
• 申請（專利權）人: 深圳清華大學研究院;中南大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所 44237
• 代理人: 張全文

技術領域

本發明涉及一種用于染料敏化太陽能電池光陽極的二氧化鈦（TiO₂）納米管陣列，尤其涉及一種具有三維（3D）結構的Cu摻雜改性TiO₂納米管陣列及其制備方法。

背景技術

作為第三代太陽能電池的染料敏化太陽能電池，其成本低廉，制作工藝簡單，對環境友好，潛在較高光電轉換效率等優點，具有十分廣闊的應用前景。在染料敏化太陽能電池中，光陽極材料是其核心組成部分，而TiO₂作為一種資源豐富、安全無毒、化學性質穩定的半導體材料，其優異的表面性能、染料吸附能力以及在電荷分離和電子傳輸等方面表現出的優勢使其成為目前研究最為成功的染料敏化半導體材料。染料敏化太陽能電池通常采用TiO₂納米晶多孔薄膜作為染料吸附和電子傳輸層。但是由于納米顆粒邊界較多，在傳輸過程中會使電子的損失較多,影響光電轉換效率。相比之下，TiO₂納米管以其優異的物理和化學性能在染料敏化太陽能電池領域得到了快速發展。然而，由于TiO₂的禁帶寬度較寬，約為3.0eV~3.2eV，使得只有小于5%的紫外光區域的太陽光能夠被吸收利用，因此，嚴重制約了其對太陽光的高效吸收。

為了克服TiO₂的這一缺陷使其具有更好的可見光響應性能，各國研究者對此展開了廣泛而又深入的研究，其中最為行之有效的方法則是通過摻雜手段來改變其電子和能帶結構，如過渡金屬元素（如Cr、V和Cu）和非金屬元素（如N、S、F和P）等，從而達到降低其吸收帶隙并改善其光電化學性能的目的。摻雜金屬的TiO₂納晶顆粒一方面可以改變半導體的性能，作為施主提供更多的載流子進而提高導電率;另一方面可以改變TiO₂能帶的位置進而提高光電壓。

此外，TiO₂納米管陣列表面形貌對染料敏化太陽能電池光電轉換效率與也有著重要影響，如TiO₂納米管長度、孔徑大小、孔隙率以及比表面積等。在日本，通過高比表面積TiO₂納米管陣列的構建及其表面p-型染料的吸附，光轉換效率已達16%。

TiO₂納米管的制備方法通常有溶膠-凝膠法、水熱法、模板法、電化學陽極氧化法等。在通過化學方法制備TiO₂納米管以及摻雜改性的TiO₂納米粉體或納米管時，其工藝復雜、設備昂貴、可控程度低、且制備出的TiO₂納米管有序度較低，很難實現均勻、大面積以及可重復使用的TiO₂納米管陣列。與化學方法相比，電化學陽極氧化法則具有工藝簡單、成本低廉、可控程度高并可實現大面積生長等優點，因此，引起了各國研究者的高度關注。

為了克服化學方法合成摻雜改性TiO₂納米管帶來的局限性，也有研究者通過磁控濺射法，在導電玻璃基體上制備出Cu-Ti與Fe-Ti合金薄膜，然后通過電化學陽極氧化生長出Cu摻雜與Fe摻雜改性的Cu-Ti-O與Fe-Ti-O納米管陣列。但此方法設備昂貴且工藝復雜、薄膜質量難以保證。也有研究者在TiTa、TiMn、TiZrNb等合金片狀基體上制備出一維納米結構的TiO₂納米管陣列薄膜，然而，通過上述方法制備出的一維納米結構與摻雜改性的TiO₂納米管陣列，比表面積相對較小，因此，仍然不利于納米晶TiO₂半導體對染料敏化劑吸附量的增加和太陽光利用效率的提高。

發明內容

有鑒于此，本發明所要解決的技術問題在于提供一種用于染料敏化太陽能電池的TiO₂納米管陣列及其制備方法，是利用電化學陽極氧化法，直接在CuTi合金絲基體構筑的DNA螺旋結構或篩網結構的基體上制備出具有三維結構、高度有序排列以及較強可見光響應性能的Cu摻雜改性TiO₂納米管陣列。

解決本發明的技術問題所采用的一種技術方案為：提供一種用于染料敏化太陽能電池的TiO₂納米管陣列，該TiO₂納米管陣列具有DNA螺旋狀或篩網狀的三維納米結構，該TiO₂納米管陣列的結構單元為Cu摻雜改性的TiO₂納米管。

優選地，用于生長Cu摻雜改性的TiO₂納米管陣列的基體材質為銅鈦合金。