[發(fā)明專利]原位生長(zhǎng)TiO2納米顆粒/納米管的染料敏化太陽能電池的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410142450.4
• 申請(qǐng)日: 2014-04-10
• 公開（公告）號(hào): CN103956269B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王浩;李思倩;張軍;李全同;汪寶元;丁浩
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖北大學(xué)
• 主分類號(hào): H01G9/20
• 分類號(hào): H01G9/20;H01G9/042;B82Y40/00
• 代理公司: 北京匯澤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11228
• 代理人: 毛廣杰

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體納米材料技術(shù)以及染料敏化太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種原位生長(zhǎng)TiO₂納米顆粒/納米管的染料敏化太陽能電池的制備方法。

背景技術(shù)

近年來，寬禁帶半導(dǎo)體納米功能材料TiO₂由于其獨(dú)特的物理結(jié)構(gòu)和良好的光電性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于傳感器、光電子材料、光催化、電池電極材料以及生物醫(yī)學(xué)材料等眾多領(lǐng)域。納米TiO₂材料不僅具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，而且具有優(yōu)異的光催化活性，能起到降解細(xì)菌等生物污垢的作用，更重要的是其在生物體內(nèi)表現(xiàn)出與生物體良好的相容性，這為其在生物醫(yī)學(xué)方面奠定了良好的基礎(chǔ)。TiO₂是一種寬禁帶（E_g=3.2eV）的n型半導(dǎo)體材料，具有優(yōu)越的電子傳輸性能，尤其是作為一種半導(dǎo)體光催化劑，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境凈化、水分解以及太陽能轉(zhuǎn)換等方面。

良好的光催化性和光電化學(xué)特性要求其TiO₂材料的比表面積大，能提供更多的反應(yīng)附著點(diǎn)、穩(wěn)定的晶相結(jié)構(gòu)、以及較好的光生電子的分離與傳輸性能。陽極氧化的TiO₂一般為無定形結(jié)構(gòu)，經(jīng)過高溫退火過程后形成更具催化活性的銳鈦礦相結(jié)構(gòu)。盡管銳鈦礦相的TiO₂納米管能表現(xiàn)出較高的電子傳輸效率和收集效率，但是在同等條件下，其比表面積比納米顆粒小，這就導(dǎo)致其在制作成染料敏化太陽能電池時(shí)，染料吸附量較小，從而光俘獲也隨之較小，光電能量轉(zhuǎn)換效率只有4%左右。相比較而言，TiO₂的納米顆粒為光俘獲提供了更大的比表面積，但是，電子在無序排列的納米顆粒間傳輸路徑曲折，導(dǎo)致復(fù)合加重。綜合上述原因，提出了由銳鈦礦相的TiO2NPs（納米顆粒）和銳鈦礦相的TiO₂NTAs（納米管）構(gòu)成的TiO₂NPs/NTAs復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了NPs較大比表面積的特性和NTAs更優(yōu)的電子傳輸特性，其光電催化性能更強(qiáng)。

目前，文獻(xiàn)報(bào)道關(guān)于TiO₂NPs/NTAs復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備方法主要有：（1）TiCl₄ 物理修飾；（2）TiO₂NPs填充NTAs；（3）TiO₂NTAs表面涂覆TiO₂粉末；（4）電化學(xué)沉積TiO₂NPs。上述方法通常都需要復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)流程和嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)條件，并且，制備的TiO₂NPs/NTAs復(fù)合結(jié)構(gòu)，其中TiO₂NPs往往并非單分散在納米管的表面，極易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，堵塞納米管口徑，進(jìn)而影響光電性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種原位生長(zhǎng)TiO₂納米顆粒/納米管的染料敏化太陽能電池的制備方法，通過采用簡(jiǎn)單的水處理TiO₂納米管的方法，直接在成型的無定形納米管上原位生成TiO₂納米顆粒，整個(gè)制備過程操作簡(jiǎn)單，安全可靠，同時(shí)對(duì)環(huán)境無污染。并且在無需外加Ti源，測(cè)試表明原位水處理生成的TiO₂納米顆粒均勻分布在納米管壁上，成功實(shí)現(xiàn)了TiO₂NPs/NTAs（納米顆粒/納米管）復(fù)合結(jié)構(gòu)納米陣列及其染料敏化太陽能電池的制備。

本發(fā)明提供一種原位生長(zhǎng)TiO₂納米顆粒/納米管的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述制備方法具體為：

將鈦片置于陽極氧化溶液中進(jìn)行兩次陽極氧化反應(yīng)，得到基于鈦基底的TiO₂納米管，并將鈦基底剝離而得到TiO₂納米管薄膜，再將TiO₂納米管的薄膜粘貼于導(dǎo)電玻璃上后置含水溶液中反應(yīng)，得到TiO₂納米顆粒/納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)，最后將得到的復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行退火結(jié)晶，并于染料溶液中浸泡后，組裝成染料敏化太陽能電池。

所述鈦片的純度為99.4%以上，鈦片在進(jìn)行兩步陽極氧化反應(yīng)之前需要進(jìn)行預(yù)處理，具體為，將鈦片進(jìn)行剪裁形成梳狀結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行超聲清洗后吹干備用。

所述兩步陽極氧化反應(yīng)具體包括：

A、一次氧化反應(yīng)：將預(yù)處理后的鈦片和惰性電極放入陽極氧化溶液中，外接恒壓電源進(jìn)行反應(yīng)；

B、去一次氧化反應(yīng)：將反應(yīng)完全的鈦片取出，清洗超聲使氧化層與鈦基底分離，取出鈦片，清洗吹干備用，得到表面清洗干凈的去一次氧化的鈦片；