[發明專利]一種雙尺度孔隙結構的納米晶二氧化鈦薄膜及其制備方法

有效

• 申請號: 201310734385.X
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103730259A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 李明春;伍陽;李昆;劉鵬
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042;C01G23/053;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 梁焱

技術領域

本發明屬于納米晶太陽能電池的制備技術領域，具體涉及一種雙尺度孔隙結構的納米晶二氧化鈦薄膜及其制備方法。

背景技術

能源危機和環境污染促進了太陽能電池和環境污染處理材料的研究，納米晶Ti0₂具有催化活性高，化學穩定性好，能直接利用太陽能進行反應，無毒安全，價格低廉等特點，從而成為一種理想的新型太陽能電池光陽極材料和光催化降解污染物自潔材料，在光電轉換材料、光催化，氣體傳感器等方面有著廣泛的應用。目前阻礙其應用推廣的主要障礙是反應的光催化效率和對可見光的吸收效率不高。Ti0₂多孔薄膜具有孔隙率高，比表面積大等優點，既可以有效提高反應的光催化效率，還可以吸附更多的染料敏化劑分子，并利用多孔薄膜內部晶粒間的多次反射作用而增強其對太陽光的吸收效率。

吸附著光敏化劑的Ti0₂薄膜在染料敏化太陽能電池（DSC）中不僅是染料分子的支撐和吸附載體，同時也是電子的傳輸載體，其孔結構特點（孔徑大小及分布、比表面積、顆粒尺寸）不僅影響染料的吸附效果和太陽光的利用效率，還決定著染料溶液和電解液的滲透效果。孔徑過大則薄膜的比表面積較小，導致染料敏化劑的吸附量降低，不利于光電轉換效率的提高；孔徑過小則使得染料分子和電解質的擴散阻力增大，降低電池的光電轉換效率。

目前制備納米晶二氧化鈦多孔薄膜的常用方法是模板法，分為軟模板和硬模板兩類。軟模板通常是利用表面活性劑分子聚集成的棒狀膠束或球狀膠團等，無機源在此組裝結構周圍水解，交聯、縮聚固化形成無機孔壁，焙燒后得到具有一定形貌的多孔薄膜[參見K.?Kajihara?and?K.Nakanishi,?Journal?of?Materials?Research,?16(2001)?58~66,?步邵靜,?靳正國,?楊立榮等,?硅酸鹽學報,?31(2003)?848~852,?呂曉斐,?中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2011年10月出版]。該方法所得網狀孔洞結構的納米晶二氧化鈦薄膜，孔深較小，孔尺寸較大且孔徑分布范圍寬，導致薄膜的比表面積低；硬模板有高分子微球、氧化鋁模板和SiO₂微球等，形成核-殼結構后通過熱處理或溶劑萃取等方法去除模板，得到有序度高的多孔薄膜。中國專利CN101323504A公開了一種大孔-介孔納米晶二氧化鈦薄膜的制備方法。該方法需合成聚苯乙烯微球（平均粒徑280nm）乳液以組裝聚苯乙烯微球膠晶模板，然后結合溶劑凝膠法在載有膠晶陣列模板的基底上鍍膜，干燥，燒結獲得有序度較高的二氧化鈦多孔薄膜。該方法制備所得的二氧化鈦薄膜中，孔徑單一，且制備工藝復雜，成本高，不利于產業化。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供一種雙尺度孔隙結構的納米晶二氧化鈦薄膜及其制備方法，目的是開發一種具有合理孔隙結構以減小染料分子和電解質的擴散阻力，同時又可避免比表面積損失以保證足夠的吸附負載能力和增強光散射吸收能力的雙尺度孔隙結構二氧化鈦薄膜，從而提高太陽能電池的光電轉化效率。

一種雙尺度孔隙結構的二氧化鈦薄膜，其孔隙結構為1~5nm和100~300nm兩種尺度，晶型為銳鈦礦納米晶。

一種雙尺度孔隙結構的納米晶二氧化鈦薄膜的制備方法，是以非離子表面活性劑作為軟模板，按照以下步驟進行：

（1）將無水乙醇、鈦酸四丁酯和有機螯合劑，在30-40℃水浴條件下不斷攪拌均勻混合，靜止30min，形成鈦酸四丁酯乙醇絡合溶液，鈦酸四丁酯和有機螯合劑的摩爾比是1:（1.5~5）；

（2）將去離子水與無水乙醇按體積比為1:（2~4）均勻混合形成乙醇水溶液，然后在（500~1000）rpm攪拌條件下將乙醇水溶液以（2~5）mL/min的速度滴入步驟（1）所制備的鈦酸四丁酯乙醇絡合溶液中，控制溶液的PH值在5.5~6.5，鈦酸四丁酯與水的摩爾比是1:（25~45）；

滴定結束后加入非離子表面活性劑聚乙二醇2000，再繼續攪拌直至獲得濃度為0.3~0.65mol·L^-1的二氧化鈦溶膠，聚乙二醇2000加入量為（1.6~3.8）g/100ml，整個過程中控制體系溫度為30~40℃；

（3）將上述二氧化鈦溶膠在室溫下靜止陳化1-8h后進行鍍膜，采用浸漬提拉法在基片上鍍膜，將涂覆有二氧化鈦溶膠的基片在80~120℃下干燥6~18h；

（4）將烘干后的涂覆有二氧化鈦溶膠的基片于550-750℃下焙燒1~4h，最終制得具有1~5nm和100~300nm兩種尺度孔隙結構的銳鈦礦納米晶二氧化鈦薄膜。