纳米棒光阳极的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，特别涉及一种Li掺杂TiO2 纳米棒光阳极的制备方法。
【背景技术】
[0002] 染料敏化太阳能电池具有价格低廉、制作工艺简单，环境友好等优点，有望成为未 来太阳能电池的主体。但是，染料敏化太阳能电池转换效率较低的问题是该技术推广应用 的瓶颈。采用一维纳米阵列作为太阳能染料敏化电池的光阳极材料，电子在垂直于导电基 底的单晶阵列结构中传输具有极高的传输速率和最低损耗，能够减少电子传输时间，有利 于提高电池转化效率。然而事实并非如此，众多实验结果发现，采用如图1所示的一维单晶 纳米棒阵列作为光阳极所制得的染料敏化太阳电池光电效率仍然较低。分析其原因如下： (1)单位衬底面积上纳米棒阵列的表面积相对较小，吸附染料数量较小，电子产生数量较 小，（2)高度有序的阵列是开放性的阵列，不利于光吸收，也影响电子的产生。
[0003] 在众多的氧化物半导体中，二氧化钛由于其生物和化学稳定性、强氧化性、价格低 廉、能保持长期稳定性、抗光腐蚀和化学腐蚀性，而且在染料敏化太阳能电池中，已经被验 证TiO2是最佳的半导体材料。目前的研宄除了对纳米TiO2光阳极薄膜进行微结构调控来 提高其光电性能以外，金属离子掺杂可以改变TiO2中深能级结构，深能级能够形成捕获中 心，尤其低于Ti4+的金属离子捕获空穴，有效抑制电子-空穴的复合，提高电子转移速度，降 低电子-空穴的复合几率，提高光子利用率。
[0004] 目前合成TiO2纳米棒阵列的方法主要有水热法、模板法、溶胶凝胶方法等。其中模 板法的缺点是制备完成后需要用化学方法除去模板，该方法工艺复杂，而且化学除去模板 过程对于产品的形态和性能有所影响。溶胶凝胶方法是现在应用较多的一种纳米材料制备 方法，该方法反应时间较长，所得一维纳米阵列的形貌不易控制。水热法由于反应在水溶液 中进行，反应温度较低，设备简单，便于自动化生产，适合大规模生产而备受重视，但是水热 法反应温度较低，不利于金属元素掺杂。因此单独的水热合成方法很难实现110 2的Li元 素的均匀掺杂。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是要提供一种Li掺杂1102纳米棒光阳极的制备方 法，该方法能够实现1102纳米棒中Li元素的均匀掺杂，提高纳米棒的致密度，采用该方法 制备的Li掺杂1102纳米棒光阳极能够提高电子转换速度，降低电子-空穴的复合几率，提 高光电转换效率和电池转换效率。
[0006] 为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：
[0007] 一种Li掺杂TiO2纳米棒光阳极的制备方法，包含步骤如下：
[0008] 1、取导电基片放入无水乙醇中进行超声清洗，然后用去离子水冲洗干净，放入干 燥箱中干燥后取出备用；
[0009] 2、将钛酸四正丁酯、硝酸锂、盐酸和去离子水按一定比例混合配制成反应溶液，将 配置好的反应溶液用玻璃棒充分搅拌直至反应溶液由白色变为无色透明为止；所述反应溶 液中盐酸和去离子水作为溶剂，其体积比为1 :1~1. 2 :1，硝酸锂和钛酸四正丁酯作为溶 质，其原子百分比为0.01 :1~0.05 :1 ;溶液浓度为1.6~2.0% ;
[0010] 3、将清洗干燥后的导电基片以导电面朝下放入反应釜中，将配制好的反应溶液缓 慢注入反应釜中；然后对反应釜中的反应溶液施加脉冲电磁场处理，处理时间为30~60s， 脉冲电压为800~900V，脉冲频率为5~7Hz;
[0011] 4、处理后将密封好的反应釜放入恒温干燥箱，调节反应温度为170~190°C，反应 10~13h后在导电基片表面形成一层TiCV薄膜，取出反应爸，降温至室温后取出导电基片， 用去离子水冲洗掉导电基片表面的白色沉淀和多余的离子，将其放入烘箱中干燥后取出；
[0012] 5、将制备好的TiCV薄膜刮成所需面积大小，即得所要制备的Li掺杂TiO2纳米棒 光阳极。
[0013] 优选的是，所述导电基片为FTO导电玻璃。
[0014] 优选的是，所述盐酸的质量浓度为36%~38%。
[0015] 优选的是，所述步骤1中导电基片放入无水乙醇中进行超声清洗20-30min。
[0016] 优选的是，所述步骤3中将配置好的反应溶液使用玻璃棒引流缓慢注入反应釜 中。
[0017] 优选的是，所述步骤3中将配制好的反应溶液注入反应釜时填充度控制在60%~ 70%〇
[0018] 本发明的有益效果是：
[0019] (1)采用锂掺杂TiO2作为光阳级，金属锂离子掺杂可以改变TiO2中杂质能级及深 能级结构，株能级能够形成捕获中心，能够捕获空穴，有效抑制电子 -空穴的复合，提尚电 子转移速度，降低电子-空穴的复合几率，提高光电转换效率。
[0020] (2)利用致密的、封闭型的一维1102纳米棒阵列作为光阳极，不仅可以提高电子传 输速率，也可以提高染料吸附面积，增加光吸收，进一步提高电池转换效率。
[0021] (3)通过采用脉冲电磁场辅助水热法合成Li掺杂二氧化钛纳米棒，能够实现Li元 素的有效均匀掺杂，提高纳米棒的致密度，纳米棒阵列的堆叠，增加太阳光的散射，有利于 光吸收，从而提高染料敏化太阳能电池效率。
[0022] (4)通过采用脉冲电磁场辅助水热法合成Li掺杂二氧化钛纳米棒，该方法能耗 低、系统操作简单、运行费用低、设备占地面积小、参数易调节，对其所处理的对象以及周围 环境没有污染，是一种比较清洁环保的处理方法。
【附图说明】
[0023] 图1是未掺杂Ti02纳米棒阵列的SEM图像。
[0024] 图2是本发明实施例1制备的Li掺杂TiO2纳米棒阵列的SEM图像。
[0025] 图3是本发明实施例2制备的Li掺杂TiO2纳米棒阵列的SEM图像。
[0026] 图4是本发明实施例3制备的Li掺杂TiO2纳米棒阵列的SEM图像。
【具体实施方式】
[0027] 实施例I
[0028] 本发明涉及的一种Li掺杂TiO2纳米棒光阳极的制备方法，包含步骤如下：
[0029] 1、清洗基片
[0030] 取导电基片放入无水乙醇中进行超声清洗20min，然后用去离子水冲洗干净，放入 干燥箱中干燥后取出备用。所述导电基片可采用FTO导电玻璃、ITO导电玻璃、PET导电塑 料等材料，作为优选，所述导电基片为FTO导电玻璃。
[0031] 2、配置反应溶液
[0032] 将钛酸四正丁酯，硝酸锂、盐酸和去离子水按一定比例混合配制成反应溶液，将配 置好的反应溶液用玻璃棒充分搅拌直至反应溶液由白色变为无色透明为止。所述反应溶液 中盐酸和去离子水作为溶剂，其体积比为1 :1 ;硝酸锂和钛酸四正丁酯作为溶质，其原子百 分比为0. 01 :1 ;反应溶液的溶液浓度为1. 6%。所述盐酸的质量浓度为36%~38%。
[0033] 3、脉冲电磁场处理
[0034] 将清洗干燥后的导电基片以导电面朝下放入反应釜中，将配制好的反应溶液使用 玻璃棒引流缓慢注入反应Il中，填充度控制在60%;然后对反应爸中的反应溶液施加脉冲 电磁场处理，处理时间为30s，脉冲电压为800V，脉冲频率为5Hz。
[0035] 4、处理后将密封好的反应釜放入恒温干燥箱，调节反应温度为170°C，反应时间为 l〇h，在导电基片表面形成一层TiCV薄膜；然后取出反应釜，降温至室温后取出导电基片，用 去离子水冲洗掉导电基片表面的白色沉淀和多余的离子，将其放入烘箱中干燥后取出。
[0036] 5、最后将制备好的TiO2薄膜刮成所需面积大小，S卩得所要制备的Li惨杂TiO2纳 米棒光阳极。所得Li掺杂TiO2纳米棒阵列的SEM图像，如图2所示。从图2中可以观察 到，通过采用脉冲电磁场辅助水热法合成Li掺杂二氧化钛纳米棒，能够实现Li元素的有效 均匀掺杂，提高