納米晶薄膜、制備方法及應用
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池技術領域，具體涉及一種新型三維納米棒片花結 構的多孔TiO 2納米晶薄膜、制備方法及其在作為染料敏化太陽能電池光陽極方面的應用。
【背景技術】
[0002] 隨著能源危機的不斷加劇，太陽能作為最重要的一種綠色能源越來越受到全球的 廣泛關注。在太陽能的有效利用中，太陽能電池是目前發(fā)展最快、最具活力的研宄領域。染 料敏化太陽能電池（DSSCs)是一種具有制作工藝簡單、成本低廉、穩(wěn)定性好和效率高等特 點的新一代太陽能電池，由瑞士洛桑工學院的Michael Gmtzel教授等利用聯吡啶釕（II ) 絡合物染料和多孔TiO2納米晶薄膜于1991年首次成功制備。其在AML 5的太陽光照射下 的光電轉換效率突破性地達到了 7. 1%。經過二十幾年的研宄，染料敏化太陽能電池的光電 轉換效率進一步提高到11%以上，從而大大提高了人們對染料敏化太陽能電池產業(yè)化發(fā)展 的信心。
[0003] 在一個典型的DSSCs里，染料敏化的光陽極材料通過吸收太陽光，而產生自由電 子。因此光陽極材料的選取直接影響太陽光的捕獲效率從而決定電池的光伏性能。N型半 導體氧化物110 2納米晶薄膜作為染料敏化太陽能電池最重要的光陽極材料承載著染料的 吸附、電子的傳輸和入射光的散射等任務。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，所以目前對于具 有特殊形貌的多孔TiO 2納米晶薄膜的研宄成為染料敏化太陽能電池研宄的主要方向之一。 具有大比表面積的三維1102納米結構，例如納米球、納米花等，其染料吸附能力強，且具有 很好的光散射性，但由于三維納米材料之間具有復雜的晶界結構，其電子傳輸速率一般比 一維的納米結構差。因此，設計合成具有高電子傳輸速率和大比表面積的新型三維110 2納 米材料成為染料敏化太陽能電池光陽極材料所追求的對象，具有深遠的研宄意義和廣泛的 應用前景。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種具有新型三維納米棒片花結構的多孔TiO2納米晶薄膜、 其制備方法及該材料在作為染料敏化太陽能電池光陽極方面的應用。該方法制得的多孔 TiO2納米晶薄膜還可以廣泛的應用于光催化、光化學、鋰電池等其他領域。
[0005] 本發(fā)明所述的染料敏化太陽能電池，由FTO導電玻璃、電解質溶液（Γ/V)、三維 納米棒片花結構的多孔TiO 2納米晶薄膜和Pt對電極組成，三維納米棒片花結構的多孔TiO2 納米晶薄膜生長在FTO導電玻璃的FTO導電膜上，電解質溶液（由0. 3M DMPII、0. 05M 12、 0. 5M Lil、0. 5M 4-TBP溶于乙腈配制而成）通過真空回填的方法注入到由FTO導電膜和Pt 對電極構成的密閉區(qū)域中。該新型三維納米棒片花結構的多孔TiO2納米晶薄膜具有特殊 的多孔結構，可以通過對光的多次散射作用有效地吸收入射光，從而大幅度提高入射光的 利用率，達到提高光電轉換效率的目的。
[0006] 本發(fā)明所述的一種具有新型三維納米棒片花結構的多孔TiO2納米晶薄膜的制備 方法，其步驟如下：
[0007] (1)量取2~6mL鹽酸（濃度30~40wt. % )(北京精細化學有限公司），加入到 6mL去離子水中，磁力攪拌20~30min ;
[0008] (2)量取0.2~0.4mL鈦酸四丁酯（北京精細化學有限公司），加入到步驟⑴所 得到的溶液中，磁力攪拌30~60min ;
[0009] (3)將步驟（2)得到的混合溶液倒入內襯為聚四氟乙烯的高壓反應釜中，將洗凈 的FTO導電玻璃（日本板硝子公司）浸入到該混合溶液中，并使FTO導電玻璃的FTO導電 膜朝上平放在釜底；在160~200°C下反應2~5h后，待其自然冷卻至室溫，即可在FTO導 電玻璃上生長得到一層膜厚為16~30 ym的TiO2納米晶薄膜；
[0010] ⑷將TiO2納米晶薄膜分別用去離子水和乙醇各沖洗3~5次，然后把洗滌過的 產物在60~80°C的真空條件下烘干4~8h，最后在450~500°C下煅燒1~2h ;
[0011] (5)將步驟（4)得到的產物薄膜一面朝上浸入到含有20~30mL、6~10mol/L NaOH溶液的高壓反應釜中，在160~200°C下反應2~4小時后，自然冷卻至室溫；
[0012] (6)將步驟（5)得到的產物浸入30~50mL、0. 2~0· 3mol/L HNO3溶液中30~ 60min，取出后用去離子水和乙醇各沖洗3~5次，并在60~80°C的真空條件下烘干4~8 小時；最后在450~500°C下煅燒1~2h，取出后即可在FTO上得到本發(fā)明所述的具有新型 三維納米棒片花結構的多孔TiO 2納米晶薄膜。
[0013] 本發(fā)明提供了一種多孔TiO2納米晶薄膜，其是由上述方法制備所得。在其XRD表 征圖中（圖 3)，2 Θ 分別在 27. 44、36· 04、39· 28、41· 36、44· 16、54· 40、56· 52、62· 77、69· 02 以及69. 90處具有明顯的衍射峰，從標準卡片上可知為金紅石結構（JCPDS no. 21-1276)。
[0014] 本發(fā)明所述的新型三維納米棒片花結構的多孔TiO2納米晶薄膜由三種納米結構 組成：一維納米棒陣列，二維納米片和三維納米花。長度約為3~5 μπι的納米棒陣列直接 生長在FTO表面，可以有效改善TiO2納米晶薄膜的電子傳輸速率。納米花直徑約為6~ 8 μ m，由許多納米棒組成，其形成于反應溶液中，在高溫高壓環(huán)境下逐漸沉積在納米棒陣列 上。納米片由納米花與高濃度的NaOH溶液反應并通過重結晶的方式生長而成，最終形成如 圖2所示的分等級的三維納米棒片花結構。該納米花的獨特結構具有疏松多孔的特性，有 利于增大光陽極的染料吸附量，并加強對光的散射作用，從而有效提高光的捕獲效率。由納 米花生成的納米片狀結構，與納米花及底部的納米棒陣列有緊密的交聯，能為電子提供更 多高效的傳導路徑，有助于提高光生電子的收集效率?；谝陨蟽?yōu)點，以該多孔TiO 2納米 晶薄膜為光陽極將大大提高電池的光電轉換效率。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)點：該制備方法具有實驗方法簡單、成本低和周期短的優(yōu)點。制備的 TiO2材料作為光陽極可以應用于染料敏化太陽能電池，將其組裝成電池獲得的光電轉換效 率（PCE)可達8. 41%，比以商用TiO2 (P25)為光陽極材料制備的電池提高了 51.8%。
【附圖說明】
[0016] 圖1 :本發(fā)明所述的染料敏化太陽能電池結構示意圖；如圖1所示，各部件名稱為： 電流表1，具有新型三維納米棒片花結構的多孔TiO 2納米晶薄膜2, Pt對電極3,電解質溶 液（Γ/ν) 4, FTO導電玻璃5 (其FTO導電膜朝上）。
[0017] 圖2 :本發(fā)明實施例1制備的多孔1102納米晶薄膜的掃描