纳米晶薄膜、制备方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及一种新型三维纳米棒片花结 构的多孔TiO 2纳米晶薄膜、制备方法及其在作为染料敏化太阳能电池光阳极方面的应用。
【背景技术】
[0002] 随着能源危机的不断加剧，太阳能作为最重要的一种绿色能源越来越受到全球的 广泛关注。在太阳能的有效利用中，太阳能电池是目前发展最快、最具活力的研宄领域。染 料敏化太阳能电池（DSSCs)是一种具有制作工艺简单、成本低廉、稳定性好和效率高等特 点的新一代太阳能电池，由瑞士洛桑工学院的Michael Gmtzel教授等利用联吡啶钌（II ) 络合物染料和多孔TiO2纳米晶薄膜于1991年首次成功制备。其在AML 5的太阳光照射下 的光电转换效率突破性地达到了 7. 1%。经过二十几年的研宄，染料敏化太阳能电池的光电 转换效率进一步提高到11%以上，从而大大提高了人们对染料敏化太阳能电池产业化发展 的信心。
[0003] 在一个典型的DSSCs里，染料敏化的光阳极材料通过吸收太阳光，而产生自由电 子。因此光阳极材料的选取直接影响太阳光的捕获效率从而决定电池的光伏性能。N型半 导体氧化物110 2纳米晶薄膜作为染料敏化太阳能电池最重要的光阳极材料承载着染料的 吸附、电子的传输和入射光的散射等任务。由于在纳米尺寸改变TiO 2的形貌可以有效改善 TiO2纳米晶薄膜的电子传输速率，入射光利用效率和染料吸附量等特性，所以目前对于具 有特殊形貌的多孔TiO 2纳米晶薄膜的研宄成为染料敏化太阳能电池研宄的主要方向之一。 具有大比表面积的三维1102纳米结构，例如纳米球、纳米花等，其染料吸附能力强，且具有 很好的光散射性，但由于三维纳米材料之间具有复杂的晶界结构，其电子传输速率一般比 一维的纳米结构差。因此，设计合成具有高电子传输速率和大比表面积的新型三维110 2纳 米材料成为染料敏化太阳能电池光阳极材料所追求的对象，具有深远的研宄意义和广泛的 应用前景。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种具有新型三维纳米棒片花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、 其制备方法及该材料在作为染料敏化太阳能电池光阳极方面的应用。该方法制得的多孔 TiO2纳米晶薄膜还可以广泛的应用于光催化、光化学、锂电池等其他领域。
[0005] 本发明所述的染料敏化太阳能电池，由FTO导电玻璃、电解质溶液（Γ/V)、三维 纳米棒片花结构的多孔TiO 2纳米晶薄膜和Pt对电极组成，三维纳米棒片花结构的多孔TiO2 纳米晶薄膜生长在FTO导电玻璃的FTO导电膜上，电解质溶液（由0. 3M DMPII、0. 05M 12、 0. 5M Lil、0. 5M 4-TBP溶于乙腈配制而成）通过真空回填的方法注入到由FTO导电膜和Pt 对电极构成的密闭区域中。该新型三维纳米棒片花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜具有特殊 的多孔结构，可以通过对光的多次散射作用有效地吸收入射光，从而大幅度提高入射光的 利用率，达到提高光电转换效率的目的。
[0006] 本发明所述的一种具有新型三维纳米棒片花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜的制备 方法，其步骤如下：
[0007] (1)量取2~6mL盐酸（浓度30~40wt. % )(北京精细化学有限公司），加入到 6mL去离子水中，磁力搅拌20~30min ;
[0008] (2)量取0.2~0.4mL钛酸四丁酯（北京精细化学有限公司），加入到步骤⑴所 得到的溶液中，磁力搅拌30~60min ;
[0009] (3)将步骤（2)得到的混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中，将洗净 的FTO导电玻璃（日本板硝子公司）浸入到该混合溶液中，并使FTO导电玻璃的FTO导电 膜朝上平放在釜底；在160~200°C下反应2~5h后，待其自然冷却至室温，即可在FTO导 电玻璃上生长得到一层膜厚为16~30 ym的TiO2纳米晶薄膜；
[0010] ⑷将TiO2纳米晶薄膜分别用去离子水和乙醇各冲洗3~5次，然后把洗涤过的 产物在60~80°C的真空条件下烘干4~8h，最后在450~500°C下煅烧1~2h ;
[0011] (5)将步骤（4)得到的产物薄膜一面朝上浸入到含有20~30mL、6~10mol/L NaOH溶液的高压反应釜中，在160~200°C下反应2~4小时后，自然冷却至室温；
[0012] (6)将步骤（5)得到的产物浸入30~50mL、0. 2~0· 3mol/L HNO3溶液中30~ 60min，取出后用去离子水和乙醇各冲洗3~5次，并在60~80°C的真空条件下烘干4~8 小时；最后在450~500°C下煅烧1~2h，取出后即可在FTO上得到本发明所述的具有新型 三维纳米棒片花结构的多孔TiO 2纳米晶薄膜。
[0013] 本发明提供了一种多孔TiO2纳米晶薄膜，其是由上述方法制备所得。在其XRD表 征图中（图 3)，2 Θ 分别在 27. 44、36· 04、39· 28、41· 36、44· 16、54· 40、56· 52、62· 77、69· 02 以及69. 90处具有明显的衍射峰，从标准卡片上可知为金红石结构（JCPDS no. 21-1276)。
[0014] 本发明所述的新型三维纳米棒片花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜由三种纳米结构 组成：一维纳米棒阵列，二维纳米片和三维纳米花。长度约为3~5 μπι的纳米棒阵列直接 生长在FTO表面，可以有效改善TiO2纳米晶薄膜的电子传输速率。纳米花直径约为6~ 8 μ m，由许多纳米棒组成，其形成于反应溶液中，在高温高压环境下逐渐沉积在纳米棒阵列 上。纳米片由纳米花与高浓度的NaOH溶液反应并通过重结晶的方式生长而成，最终形成如 图2所示的分等级的三维纳米棒片花结构。该纳米花的独特结构具有疏松多孔的特性，有 利于增大光阳极的染料吸附量，并加强对光的散射作用，从而有效提高光的捕获效率。由纳 米花生成的纳米片状结构，与纳米花及底部的纳米棒阵列有紧密的交联，能为电子提供更 多高效的传导路径，有助于提高光生电子的收集效率。基于以上优点，以该多孔TiO 2纳米 晶薄膜为光阳极将大大提高电池的光电转换效率。
[0015] 本发明的优点：该制备方法具有实验方法简单、成本低和周期短的优点。制备的 TiO2材料作为光阳极可以应用于染料敏化太阳能电池，将其组装成电池获得的光电转换效 率（PCE)可达8. 41%，比以商用TiO2 (P25)为光阳极材料制备的电池提高了 51.8%。
【附图说明】
[0016] 图1 :本发明所述的染料敏化太阳能电池结构示意图；如图1所示，各部件名称为： 电流表1，具有新型三维纳米棒片花结构的多孔TiO 2纳米晶薄膜2, Pt对电极3,电解质溶 液（Γ/ν) 4, FTO导电玻璃5 (其FTO导电膜朝上）。
[0017] 图2 :本发明实施例1制备的多孔1102纳米晶薄膜的扫描