納米晶薄膜、制備方法及應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔TiO2納米晶薄膜、制備方法及其在作為染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極方面的應(yīng)用，屬于染料敏化太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】。本發(fā)明所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，由陽(yáng)極導(dǎo)電玻璃FTO、光陽(yáng)極、電解質(zhì)溶液(I-/I3-)和Pt對(duì)電極組成，電解質(zhì)溶液通過(guò)真空回填的方法注入電池，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特征在于：光陽(yáng)極材料為本發(fā)明所制備的具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜，該多孔TiO2納米晶薄膜具有很好的光散射作用。入射光透過(guò)導(dǎo)電玻璃FTO進(jìn)入該多孔TiO2納米晶薄膜，因?yàn)樵摬牧暇哂刑厥獾亩嗫捉Y(jié)構(gòu)可以多次反射并有效地吸收入射光，從而大幅度提高入射光的利用率，達(dá)到提高光電轉(zhuǎn)換效率的目的。
【專(zhuān)利說(shuō)明】三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔TiO2納米晶薄膜、制備方法及應(yīng) 用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于染料敏化太陽(yáng)能電池【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多 孔TiO 2納米晶薄膜、制備方法及其在作為染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極方面的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人們對(duì)綠色能源的迫切需要，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源現(xiàn)在 已經(jīng)吸引了全球的廣泛關(guān)注。在太陽(yáng)能的有效利用中，太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最快、最具活 力的研究領(lǐng)域。硅系太陽(yáng)能電池是研究最早，也是目前技術(shù)最成熟的太陽(yáng)能電池之一，但是 由于硅系電池原料價(jià)格昂貴和繁瑣的生產(chǎn)工藝，使人們不斷尋找和開(kāi)發(fā)低成本的太陽(yáng)能電 池作為單晶硅太陽(yáng)能電池的替代品。1991年瑞士洛桑工學(xué)院的Michael Gmtze丨教授等利 用聯(lián)吡啶釕（II )絡(luò)合物染料和多孔二氧化鈦納米晶薄膜制備的染料敏化太陽(yáng)能電池，在 AML 5的太陽(yáng)光照射下突破性地取得了 7. 1 %的光電轉(zhuǎn)換效率，而其更具有制作工藝簡(jiǎn)單、 成本低廉、穩(wěn)定性好和效率高等優(yōu)點(diǎn)。這種新型光伏電池的制作成本僅為硅太陽(yáng)能電池的 1/5?1/10,使用壽命則長(zhǎng)達(dá)20年以上。經(jīng)過(guò)近十幾年的研究，染料敏化太陽(yáng)能電池的光 電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步提高到11%以上，從而大大提高了人們對(duì)染料敏化太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā) 展的信心。
[0003] N型半導(dǎo)體氧化物TiO2納米晶薄膜是染料敏化太陽(yáng)能電池最重要的光陽(yáng)極材料， 其承載著染料的吸附，電子的傳輸和對(duì)入射光的散射等任務(wù)。由于在納米尺寸改變TiO 2的 形貌可以有效改善TiO2納米晶薄膜的電子傳輸速率，入射光利用效率和染料吸附量等特 性，所以目前對(duì)于多孔TiO 2納米晶薄膜的研究是染料敏化太陽(yáng)能電池研究的主要方向之 一。一維的TiO2納米結(jié)構(gòu)，例如納米管、納米線和納米帶，因其快速的電子傳輸速率受到 廣泛的研究，但一維納米結(jié)構(gòu)比表面積有限，不利于吸附更多的染料，且對(duì)光的散射能力一 般。因此，具有高電子傳輸速率和大比表面積的TiO 2納米材料成為染料敏化太陽(yáng)能電池光 陽(yáng)極材料所追求的對(duì)象，具有深遠(yuǎn)的研究意義和廣泛的應(yīng)用前景。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜、其 制備方法及該材料在作為染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極方面的應(yīng)用。該方法制得的多孔二氧 化鈦納米晶薄膜還可以廣泛的應(yīng)用于光催化、光化學(xué)、鋰電池等其他領(lǐng)域。
[0005] 本發(fā)明所述的染料敏化太陽(yáng)能電池，由陽(yáng)極導(dǎo)電玻璃FT0、光陽(yáng)極、電解質(zhì)溶液 (Γ/V)和Pt對(duì)電極組成，電解質(zhì)溶液通過(guò)真空回填的方法注入電池，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其 特征在于：光陽(yáng)極材料為本發(fā)明所制備的具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄 膜，該多孔TiO 2納米晶薄膜具有很好的光散射作用。入射光透過(guò)導(dǎo)電玻璃FTO進(jìn)入該多孔 TiO2納米晶薄膜，因?yàn)樵摬牧暇哂刑厥獾亩嗫捉Y(jié)構(gòu)可以多次反射并有效地吸收入射光，從 而大幅度提1?入射光的利用率，達(dá)到提1?光電轉(zhuǎn)換效率的目的。
[0006] 本發(fā)明所述的一種具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜的制備方 法，其步驟如下：
[0007] (1)量取3?6mL鹽酸（濃度30?40wt. % )(北京精細(xì)化學(xué)有限公司），加入到 6mL去離子水中，磁力攪拌10?20min ;
[0008] (2)量取0.2?0.4mL鈦酸四丁酯（北京精細(xì)化學(xué)有限公司），加入到步驟（1)所 得到的溶液中，磁力攪拌30?60min ;
[0009] (3)將步驟⑵得到的混合溶液倒入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜中，并將FTO 導(dǎo)電玻璃（日本板硝子公司）浸入到該混合溶液中，在160?200°C下反應(yīng)2?5小時(shí)，自 然冷卻至室溫后在FTO導(dǎo)電玻璃上生長(zhǎng)得到一層膜厚為16?30 μ m的TiO2納米晶薄膜； [0010] ⑷將TiO2納米晶薄膜用去離子水沖洗3?5次，然后再用乙醇沖洗3?5次；最 后把洗滌過(guò)的產(chǎn)物在60?80°C的真空條件下烘干5?10小時(shí)，取出后即在FTO導(dǎo)電玻璃 上得到本發(fā)明所述的具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜。
[0011] 本發(fā)明提供了一種多孔二氧化鈦納米晶薄膜，其是由上述方法制備所得，在其XRD 表征圖中，2 Θ 分別為 27. 44、36· 04、39· 28、41· 36、44· 16、54· 40、56· 52、62· 77、69· 02 以及 69. 90,從標(biāo)準(zhǔn)卡片上可知為金紅石結(jié)構(gòu)。
[0012] 本發(fā)明所述的三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜由一維納米棒陣列 和沉積在納米棒陣列上的三維花狀體兩部分組成。長(zhǎng)度約為3?6 μ m的一維納米棒陣列 直接生長(zhǎng)在FTO表面，可以有效改善TiO2納米晶薄膜的電子傳輸速率。三維花狀體直徑約 為6?10 μ m，由許多納米棒組成，其形成于反應(yīng)溶液中，在高溫高壓環(huán)境下逐漸沉積在一 維納米棒陣列上并最終形成如圖2所示的一維與三維混合結(jié)構(gòu)。三維花狀體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)具 有疏松多孔的特性，有利于增大光陽(yáng)極的染料吸附量，并加強(qiáng)對(duì)光的散射作用，從而大幅度 提1?入射光的利用率，達(dá)到提1?光電轉(zhuǎn)換效率的目的。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：該制備方法具有產(chǎn)生效率高、成本低、方法簡(jiǎn)單和實(shí)驗(yàn)周期短的優(yōu) 點(diǎn)。制備的二氧化鈦材料作為光陽(yáng)極可以應(yīng)用于染料敏化太陽(yáng)能電池，將其組裝成電池獲 得的光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)4. 16%。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1 :本發(fā)明所述的染料敏化太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)示意圖；如圖1所示，各部件名稱(chēng)為： 電流表1，具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔TiO2納米晶薄膜2, Pt對(duì)電極3,電解質(zhì)溶液（17 13〇4,導(dǎo)電玻璃FT05。
[0015] 圖2 :本發(fā)明實(shí)施例1制備的多孔二氧化鈦納米晶薄膜放大2000倍的掃描電鏡圖 片；其中圖2 (a)為側(cè)視圖，圖2(b)為俯視圖，插圖為單個(gè)三維花狀體，如圖所示，其直徑約 為8 μ m，由許多納米棒組成。
[0016] 圖3 :本發(fā)明實(shí)施例1制備的多孔二氧化鈦納米晶薄膜的XRD圖；從標(biāo)準(zhǔn)卡片上可 知該材料為金紅石結(jié)構(gòu)。
[0017] 圖4 :商用二氧化鈦（P25)和本發(fā)明實(shí)施例1制備的二氧化鈦（TNRF)的漫反射譜 圖；在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)（400?800nm)，TNRF的反射率明顯高于P25,使得TNRF更適合作 為反射層從而提高入射光的利用率。
[0018] 圖5 :以商用二氧化鈦（P25)和本發(fā)明實(shí)施例1制備的二氧化鈦（TNRF)作為光陽(yáng) 極制作的電池的J-ν圖；如圖所示，TNRF和P25電池具有幾乎相同的開(kāi)路電壓，但TNRF電 池的短路電流則由7. 55mA/cm2(P25)提高到12. 56mA/cm2。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 實(shí)施例1 :用一步水熱合成法制備三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄 膜，具體過(guò)程如下
[0020] (1)量取4mL鹽酸（濃度36wt. % )(北京精細(xì)化學(xué)有限公司），加入到6mL去離子 水中，磁力攪拌15min ;
[0021] (2)量取0.4mL鈦酸四丁酯（北京精細(xì)化學(xué)有限公司），加入到步驟（1)中所述混 合溶液中，磁力攪拌30min ;
[0022] (3)將步驟（2)中的混合溶液倒入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜中（容積 45mL)，并將一片F(xiàn)TO導(dǎo)電玻璃（規(guī)格2. 2mm，電阻14歐，透光率90 %，日本板硝子公司）放 置在反應(yīng)釜底部并浸入到混合溶液中，在180°C下反應(yīng)3小時(shí)，自然冷卻到室溫，從而在導(dǎo) 電玻璃上生長(zhǎng)得到一層膜厚約為28 μ m的TiO2納米晶薄膜；
[0023] (4)將TiO2納米晶薄膜用去離子水沖洗3次，然后再用乙醇沖洗3次；最后把洗滌 過(guò)的產(chǎn)物放入到80°C真空烘箱中，烘干8小時(shí)，取出后得到本發(fā)明所述的具有三維納米棒 花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜。該薄膜呈白色，致密且牢固生長(zhǎng)在FTO表面，膜厚約為 28 μ m〇
[0024] 表I :以P25為光陽(yáng)極和以TNRF為光陽(yáng)極制備的染料敏化太陽(yáng)能電池的各項(xiàng)電池 性能參數(shù)對(duì)比數(shù)據(jù)

【權(quán)利要求】
1. 一種具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜的制備方法，其步驟如下： (1) 量取3?6mL鹽酸，濃度30?40wt. %，加入到6mL去離子水中，磁力攪拌10? 20min ； (2) 量取0.2?0.4mL鈦酸四丁酯，加入到步驟（1)所得到的溶液中，磁力攪拌30? 60min ； (3) 將步驟（2)得到的混合溶液倒入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓反應(yīng)釜中，并將FTO導(dǎo)電 玻璃浸入到該混合溶液中，在160?200°C下反應(yīng)2?5小時(shí)，自然冷卻至室溫后在FTO導(dǎo) 電玻璃上生長(zhǎng)得到一層膜厚為16?30 ii m的TiO2納米晶薄膜； (4) 將TiO2納米晶薄膜用去離子水沖洗3?5次，然后再用乙醇沖洗3?5次；最后把 洗滌過(guò)的產(chǎn)物在60?80°C的真空條件下烘干5?10小時(shí)，取出后即在FTO導(dǎo)電玻璃上得 到三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜。
2. -種具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜，其特征在于：由權(quán)利要求 1所述的方法制備得到。
3. 權(quán)利要求2所述的一種具有三維納米棒花結(jié)構(gòu)的多孔二氧化鈦納米晶薄膜在作為 染料敏化太陽(yáng)能電池光陽(yáng)極方面的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C03C17/25GK104310794SQ201410515063
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月28日
【發(fā)明者】盧革宇, 趙培陸, 劉鳳敏, 杜思思, 孫鵬, 馬健 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)