[發明專利]單層三元納晶二氧化鈦薄膜光陽極及其制備方法

在審

• 申請號: 201210586110.1
• 申請日: 2012-12-28
• 公開（公告）號: CN103903860A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 李勇明;邵君;楊松旺;劉巖
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20
• 代理公司: 上海專利商標事務所有限公司 31100
• 代理人: 郭輝

技術領域

本發明屬于新能源技術領域，涉及一種單層三元納晶（銳鈦礦型納米晶體）二氧化鈦薄膜光陽極及其制備方法。

技術背景

煤炭，石油等不可再生能源的短缺問題以及環境污染問題的加劇，使得如何有效利用安全，潔凈，無污染且不受地理位置局限的太陽能資源愈加迫切。太陽能電池這種將太陽能轉換為電能的新能源領域已成為眾多研究者關注的領域。在各種不同類型的太陽能電池中，染料敏化太陽能電池以其光電轉換效率高，制備工藝簡單，成本低廉，對光照強度依賴小等優點受到廣泛關注。

染料敏化太陽能電池主要包括半導體光陽極，對電極以及位于半導體光陽極和對電極之間的電解質。其中，半導體光陽極是其重要組成部分，它不僅是吸附染料的載體，也是傳輸電子的載體。光陽極薄膜的粒徑，比表面，孔徑，孔隙率，膜厚等參數對染料敏化太陽能電池的光電轉換效率有著非常關鍵的影響。目前，半導體光陽極薄膜常用的半導體材料為銳鈦礦納米二氧化鈦，其具有成本低廉，來源豐富，無毒無污染，穩定及耐腐蝕性等優良性能。銳鈦礦型二氧化鈦只能吸收紫外光，而太陽光中紫外光只占3～4%，故需要吸附有機敏化染料分子來吸收可見光能量。

染料敏化納米二氧化鈦薄膜電池工作原理如下：在太陽光作用下，染料分子中的電子受激發躍遷至激發態，激發態不穩定，電子很快注入到較低能級的二氧化鈦導帶，空穴則留在染料中，此時染料分子變為氧化態。電子在二氧化鈦薄膜中傳輸至導電底層，然后經外電路轉移至對電極，產生光電流。氧化態的染料分子被電解液中的I^-(一價碘陰離子)還原，染料分子再生。被氧化的I^3-(三價碘陰離子)在對電極得到電子還原為I-，完成電子傳輸過程的一個循壞。

提高對太陽光能的利用率是提高染料敏化太陽能電池光電轉換效率的關鍵。為了提高對太陽光能的利用率，第一種途徑是增大納米二氧化鈦薄膜的比表面積，比表面積越大，二氧化鈦薄膜吸附的染料分子越多，對太陽光能的吸收也越多。第二種途徑是在二氧化鈦薄膜中加入大顆粒散射粒子，太陽光在散射粒子表面來回反射和散射，增長光子的傳輸路徑，從而提高染料分子吸收光能的幾率。

中國專利（公開號CN1841792）公開了一種球形造孔劑和二氧化鈦小顆粒膠體混合制備光散射薄膜電極的方法。然而，用上述方法制得的二氧化鈦薄膜光陽極與導電基底的結合力差，從而影響染料敏化太陽能電池的使用壽命。中國專利（公開號CN1909261）公開了一種光吸收增強型薄膜的制備方法，該薄膜光陽極包括第一層致密二氧化鈦薄膜和第二層大孔二氧化鈦薄膜的復合結構。然而在制備該薄膜時需要多次涂敷，制膜工藝復雜，不利于工業化應用。

因此，本領域需要研發一種新的二氧化碳薄膜光陽極，其與導電基底結合良好，且形成的染料敏化太陽能電池的使用壽命長；以及該二氧化碳薄膜光陽極的制備方法工藝簡單，利于工業化應用。

發明內容

本發明的目的是為了克服上述現有技術的不足，提供一種新穎的單層二氧化鈦三元納晶薄膜光陽極及其的制備方法。所述單層二氧化鈦三元納晶薄膜光陽極同時具有高染料分子吸附量和高可見光能利用率的特點。同時，所述單層二氧化鈦三元納晶薄膜光陽極的制備方法工藝簡單，利于工業化應用。

為此，本發明一方面提供一種單層二氧化鈦三元納晶薄膜光陽極，所述薄膜光陽極包括導電玻璃和位于其上的納晶二氧化鈦薄膜，其中，所述納晶二氧化鈦薄膜由三種不同粒徑尺寸的銳鈦礦型二氧化鈦組成。

在本發明一個實施方式中，所述二氧化鈦薄膜由200～400納米的二氧化鈦散射粒子、15～60納米的納晶二氧化鈦粒子和10納米以下的二氧化鈦高染料吸附粒子組成。

在本發明一個實施方式中，所述15～60納米的納晶二氧化鈦粒子、10納米以下的二氧化鈦高染料吸附粒子和200～400納米的二氧化鈦散射粒子的重量比為1:0.1～0.5:0.01～0.1。

在本發明一個實施方式中，所述15～60納米的納晶二氧化鈦粒子、10納米以下的二氧化鈦高染料吸附粒子和200～400納米的二氧化鈦散射粒子的重量比為為1:0.5:0.1。

在本發明一個實施方式中，所述納晶二氧化鈦薄膜的厚度為10～30微米。優選地，所述納晶二氧化鈦薄膜的厚度為12～20微米。

在本發明一個實施方式中，所述導電玻璃選自摻雜氟的SnO₂透明導電玻璃和銦錫氧化物半導體透明導電玻璃。

另一方面，本發明提供一種制備所述單層二氧化鈦三元納晶薄膜光陽極的方法，所述方法包括：