納米線陣列薄膜光陽極的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池領域，涉及一種通過一次溶劑熱反應合成超長1102納米線陣列薄膜光陽極的制備方法。
【背景技術】
[0002]能源是國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平提高的重要物質(zhì)基礎。隨著人類社會生產(chǎn)力水平的不斷提高，能源的消費量也在不斷的增長。同時，大規(guī)模使用化石能源所引發(fā)的能源危機和環(huán)境惡化成為人類亟待解決的首要問題。特別是1973年能源危機的爆發(fā)，更促使世界各國加快了對太陽能、風能、水能、核能等可再生能源的研宄開發(fā)。太陽能作為資源最豐富的可再生能源，具有其它能源所不可比擬的優(yōu)點:可再生、無污染、分布廣、成本較低、功率巨大等。因此，改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，如何實現(xiàn)對太陽能低成本、高效率的轉(zhuǎn)化利用，成為世界各國政府和科研機構(gòu)日益關注的課題。
[0003]作為第三代新型有機太陽能電池的染料敏化太陽能電池，由于具有理論光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低、環(huán)境友好、多色透明等優(yōu)點，成為國內(nèi)外競相研宄的熱點。為了提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率，研宄人員不斷改進電池的敏化劑、電解質(zhì)和半導體光陽極材料。其中，選擇合適的半導體光陽極材料是提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率的重要途徑。自從1991年瑞士科學家Gratzel將T12納米顆粒引入染料敏化太陽能電池之后，大大提高了電池的轉(zhuǎn)化效率，從而T12光陽極材料引起了各國科學界的廣泛關注，并形成了研宄的熱潮。
[0004]作為染料敏化太陽能電池最常用的光陽極材料，T12納米晶在電荷分離能力和化學穩(wěn)定性等方面都具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，但是隨著粒子尺寸的減小，這種優(yōu)勢并沒有得到進一步提高。隨著粒子尺寸的減小，光生電子空穴對的表面復合幾率就會增加，進而影響器件的性能。而與T12納米晶相比，T12納米線陣列則具有較明顯的優(yōu)勢:(1) 一維取向的單晶納米線結(jié)構(gòu)是電子的良導體，并且沿軸向沒有顆粒邊界，電子傳輸快；(2)存在表面耗盡層，該勢皇可以促進電荷有效分離，降低電子和空穴的復合速率。因此，為提高T12在光電轉(zhuǎn)換、光催化等領域的應用，開發(fā)新型的納米線陣列制備技術，采用低溫、可控、簡單的方法合成具有更高比表面積、更好取向性和結(jié)晶質(zhì)量的一維T12納米線陣列，成為當前研宄的熱點之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的染料敏化太陽能電池T12納米晶光陽極光生載流子復合損失高的問題，而提供一種超長打02納米線陣列薄膜光陽極的制備方法。該方法通過一次溶劑熱合成反應，以乙醇、鹽酸和打(:14的混合溶液為前驅(qū)體，在FTO導電玻璃上生長出超長的一維T12納米線陣列薄膜。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
一種超長Ti02m米線陣列薄膜光陽極的制備方法，其特點在于:僅通過一次溶劑熱反應過程，在一定尺寸的FTO玻璃的導電面上直接生長一層致密的1102納米線陣列薄膜，經(jīng)處理后得到直徑5~6 mm的圓形薄膜結(jié)構(gòu)。具體制備過程如下:
步驟1、處理FTO玻璃襯底:將FTO玻璃按照一定的尺寸切割好，將其依次放在洗滌劑水溶液、丙酮和無水乙醇中分別超聲清洗10~15 min，然后依次用去離子水和無水乙醇沖洗并吹干。
[0007]步驟2、TiCl4溶液的前處理:將FTO玻璃導電面朝上放入盛有0.1-0.3 M TiCl4S液的燒杯中60~90°C條件下處理10~60 min，取出后依次用去離子水和乙醇沖洗并吹干。
[0008]本步驟中所使用的TiCl4溶液的配制方法如下:
將250 mL去離子水和41.7 mL濃鹽酸加入500 mL燒杯中。冰浴攪拌條件下，向燒杯中緩慢滴加55 mL TiCl4，攪拌至溶液澄清后用500 mL容量瓶定容，轉(zhuǎn)移至廣口瓶冷凍保存，得到I M的TiCl4溶液。前處理時將上述TiCl4S液用去離子水稀釋至濃度為0.1-0.3M，經(jīng)過60~90°C條件下處理10~60 min處理后，使得FTO玻璃襯底上生長一層T12種子層。
[0009]步驟3、FT0種子層的退火處理:將FTO玻璃導電面朝上放在加熱板上，空氣流通條件下在管式加熱爐中進行程序控溫加熱處理，隨后待玻璃片自然冷卻至室溫，取出備用。
[0010]本步驟中，程序控溫設置為:以5~20°C /min的速率從室溫加熱到500~600°C，恒溫30?90 min0
[0011]步驟4、溶劑熱法合成T12納米線陣列:將FTO玻璃導電面朝下傾斜放入容積為100 mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，保證與器壁的角度在20~35度范圍內(nèi)，加入前驅(qū)體溶液，將內(nèi)襯放入高壓反應釜中封釜，然后將反應釜放在烘箱中加熱至150~180°C，進行反應1~20 h，結(jié)束后自然冷卻至室溫并取出，取出FTO玻璃依次用去離子水和乙醇沖洗并吹干，經(jīng)過處理得到T12納米線陣列薄膜。
[0012]本步驟中，前驅(qū)體溶液由60 mL乙醇和鹽酸的混合溶液和3 mL TiCl4純?nèi)芤夯旌隙桑渲幸掖己望}酸的體積比為15~40:20~45，具體配比為15:45、20:40、25:35、30:30、35:25、40:20。
[0013]本發(fā)明的有益效果在于:
(1)通過改變反應時間以及反應前驅(qū)物中乙醇和鹽酸的比例，控制打02納米線的直徑、長度以及納米線陣列密度等，從而實現(xiàn)超長打02納米線陣列的可控生長；
(2)使用乙醇作為溶劑，當乙醇與鹽酸體積比為25:35時，通過一次溶劑熱反應，在FTO導電玻璃襯底上直接合成出長度達51.4 ym的超長1102納米線陣列薄膜；
(3)將1102納米線陣列薄膜光陽極直接應用在染料敏化太陽能電池上，在其一維結(jié)構(gòu)中，電子傳輸速率快，光生載流子復合損失小，有利于染料敏化太陽能電池性能的提高。
【附圖說明】
[0014]圖1為乙醇和鹽酸按照15:45的體積比合成的T12納米線陣列的表面圖；
圖2為乙醇和鹽酸按照20:40的體積比合成的T12納米線陣列的表面圖；
圖3為乙醇和鹽酸按照25:35的體積比合成的T12納米線陣列的表面圖；
圖4為乙醇和鹽酸按照30:30的體積比合成的T12納米線陣列的表面圖；
圖5為乙醇和鹽酸按照35:25的體積比合成的T12納米線陣列的表面圖；
圖6為乙醇和鹽酸按照40:20的體積比合成的T12納米線陣列的表面圖；
圖7為乙醇和鹽酸按照15:45的體積比合成的T12納米線陣列的截面圖； 圖8為乙醇和鹽酸按照20:40的體積比合成的T12納米線陣列的截面圖；
圖9為乙醇和鹽酸按照25:35的體積比合成的T12納米線陣列的截面圖；
圖10為乙醇和鹽酸按照30:30的體積比合成的T12納米線陣列的截面圖；
圖11為乙醇和鹽酸按照35:25的體積比合成的T12納米線陣列的截面圖；
圖12為乙醇和鹽酸按照40:20的體積比合成的T12納米線陣列的截面圖；
圖13為在乙醇與鹽酸不同體積比條件下合成的T12納米線陣列的XRD圖:(a) 15:45，(b) 20:40， (c) 25:35， (d) 30:30， (e) 35:25， (f) 40:20 ；
圖14為染料敏化太陽能電池組裝過程示意圖；
圖15為在乙醇與鹽酸體積比為25:35條件下合成的T12納米線陣列薄膜組裝的染料敏化太陽能電池的電流密度一電壓曲線。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術方案作進一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，均應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍中。
[0016]【具體實施方式】一:本實施方式采用一次溶劑熱法在FTO導電玻璃上直接合成出一維金紅石型T12納米線陣列，包括如下步驟:
步驟1、處理FTO玻璃襯底:將FTO玻璃按照長寬2.0X 1.5 cm的尺寸切割好，將其依次放在洗滌劑水溶液、丙酮和無水乙醇中分別超聲清洗10 min，然后依次用去離子水和無水乙醇沖洗并吹干。
[0017]步驟2、TiCl4溶液前處理:將FTO玻璃導電面朝上放入盛有0.2 M TiCl 4溶液的燒杯中70°C條件下處理30 min，取出后依次用去離子水和乙醇沖洗并吹干。其中:
所使用的TiCl4溶液的配制方法如下:將250 mL去離子水和41.7 mL濃鹽酸加入500mL