专利名称：一种用于有机无机复合电池的电极材料及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于有机无机复合电池的电极材料及制作方法。该方法 制备的电极材料性能显著优于目前最常用的电极材料，具体涉及一种通过稳 定的反应前驱体制备成分和结构可控的二氧化钛基电极材料，属于光电器件 材料领域。
背景技术：
随着环境污染和能源危机的日益严峻，以太阳能为代表的清洁能源的研 究受到了广泛的关注，而传统的硅太阳能电池由于其制备工艺要求苛刻和成 本高等因素制约了它的发展，在这种背景下成本低廉制备工艺简单的有机无
机复合太阳电池应运而生，并得到了广泛的研究。自1991年瑞士洛桑高等工 业学院Gratzel教授报道了一种基于二氧化钛纳米晶的转换效率达7.1%的有 机无机复合太阳电池以来(O'Regan, B. and M. Gr汪etzel. Nature 1991, 353: 737-740.)，以染料敏化太阳电池为代表的有机无机复合太阳电池以其低廉的 成本和相对较高的转换效率得到了广泛的关注并取得了长足的发展，目前染 料敏化太阳电池的单块小面积效率可达11%，亚模块(25 cm2)的效率已超 过8%。
有机无机复合电池主要由无机半导体膜、敏化剂、电解质、对电极及导 电基底组成。其中，染料敏化太阳电池主要由纳米晶多孔半导体薄膜、染料
敏化剂、氧化还原电解质、对电极和导电基底等几部分组成。其工作原理为 染料分子吸收太阳光后从基态跃迁到激发态，激发态染料的电子注入到纳米 半导体的导带中，随后传输至导电基底，经外回路转移至对电极，处于氧化 态的染料被还原态的电解质还原再生，氧化态的电解质在对电极接受电子被 还原，从而完成了电子输运的一个循环过程。在这些过程中，同时伴随着两 个背反应注入到半导体导带中的电子和氧化态染料或电解质中的电子受体 的复合反应。如何强化电子输运过程的正反应，抑制电荷复合的背反应，是 当前染料敏化太阳电池研究工作的一个重点。以染料敏化太阳电池为代表的有机无机复合电池的最大特点是其光吸收 和电荷分离传输分别由敏化剂和多孔半导体薄膜电极来完成，电荷传输靠多 数载流子完成，而它的开路电压取决于纳米半导体的准费米能级和电解质的 氧化还原电对的能级差。
多孔半导体薄膜电极的主要作用是利用其巨大的表面积来吸附敏化剂， 同时也是光生电荷分离和传输的载体，另外太阳电池的开路电压又与半导体 的准费米能级直接相关，因此半导体电极材料在有机无机复合电池中起着举 足轻重的作用。
已有大量的研究提出了对半导体电极材料的改进措施，主要包括对二氧 化钛电极材料的改性和非二氧化钛体系材料的探索两方面。而到目前为止， 还未能合成出性能可与二氧化钛相比拟的其他半导体电极材料，使用最广、 光电转换效率最高，也是最具有产业化前景的半导体电极材料仍是二氧化钛； 在二氧化钛的改性方面，如何通过简单的工艺调节材料的组成、调控材料的 形貌一直是研究者关注的问题，而现行的方法往往须要采用昂贵而又不稳定 的反应物，或者需要复杂的制备工艺，并且未能取得让人满意的改善效果。 因此，通过简单而成本低廉的制备方法，设计合成组成结构可控、性能优异 的可用于有机无机复合太阳电池的半导体电极材料就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于有机无机复合电池的电极材料，以提 高太阳电池的光电性能。
本发明的另一目的在于提供一种上述材料的简单而成本低廉的制备方法。
下面详细描述本发明。
本发明采用一种稳定的前驱体溶液通过简单的液相法工艺或固相反应合 成组成可控、性能优异的二氧化钛基电极材料。
a)稳定的掺杂剂前驱体溶液的制备
溶剂采用碱溶液和过氧化氢的混合溶液，其中碱溶液包括氢氧化钠溶液、 氢氧化钾溶液或氢氧化锂溶液、氢氧化铯溶液、氨水、以及上述5种碱溶液 中任意二种或几种的混合溶液；溶质采用过渡金属单质(Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Cr、 Mo、 W、 Sc)、其金属氢氧化物、卤化物、硝酸盐、羧酸盐和醇盐。将不同量的溶质加入到上述溶剂中，冷水浴中搅拌一段时间后得到各种浓度
的前驱体溶液，浓度范围在0.001~10M。所述的碱溶液的浓度范围在 1(T、20M，过氧化氢的浓度范围在10—3~20M,碱溶液和过氧化氢的摩尔比为 1:0.02~200。
b) 基体材料和掺杂剂的混合液制备
将二氧化钛源材料，包括金属钛、二氧化钛、氢氧化钛，硝酸钛、硫酸 钛、钛黄、卤化钛、羧酸钛和钛醇盐，加入到步骤a)所述的掺杂剂前驱体 溶液中，充分搅拌均匀。接着将混合液温度升高至60~100°C以排除多余的 过氧化氢和有机物，搅拌0.5~5h后得到悬浊液。
c) 二氧化钛基电极材料的合成
① 、液相法工艺制备二氧化钛基电极材料
将步骤b)所得的悬浊液移至反应容器中，在80 450。C温度范围内反应 1~240小时得目标沉淀物，将沉淀洗涤、干燥即得二氧化钛基电极材料，升 降温速率不限。
② 、固相反应制备二氧化钛基电极材料
将步骤b)所得的悬浊液移至反应容器中，100°C下排除水分，然后在 120 1200。C温度范围内热处理0.5 150小时得目标产物，将产物洗涤、干燥 即得二氧化钛基电极材料，升降温速率不限。。
d) 电极的制作和电池组装测试
将步骤c)所得的粉体与乙基纤维素、聚乙二醇和松节油透醇配制成稳 定均一的浆料，通过丝网印刷或刮涂法在透明导电玻璃上制备半导体前驱膜， 经干燥退火得多孔的半导体阳极膜，膜厚可控制在l~20pm。
退火后的膜在敏化剂中浸渍0.5~48h得敏化的多孔阳极膜。与对电极组 装成三明治结构的太阳电池，对电极采用贵金属(Pt， Au， Ag, Cu， Mo) 或碳(C)负载在导电玻璃上，得到的电池在模拟光源下进行电池性能测试。
由此可见，①本发明提供的电极材料以二氧化钛为基，掺杂过渡金属元 素形成锐钛矿结构、金红石结构或非晶结构；
② 所述的过渡金属元素为Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Cr、 Mo、 W或Sc，掺 杂的浓度为0 30mol%;
③ 所述的二氧化钛粉体的粒径为5nm-50um的粒状、棒状、片状或管状的单晶、多晶、非晶或混晶材料；
所述的二氧化钛基电极材料通过掺杂量调节二氧化钛的能带结构、改 善二氧化钛的电荷分离传输能力，从而提高太阳电池的转换效率。最高光电
转换效率较未掺杂的提高了 27.2%。(详见实施例l-6)
本发明的有益效果在于
本发明采用了简单而低成本的制备工艺，通过掺杂来调节二氧化钛的能 带结构，改善二氧化钛的电荷分离传输能力，从而提高了太阳电池的转换效率。
图1为180°C水热反应20h得到的Nb掺杂量分别为0mol%， 2.5mol%， 5mol%， 7.5mol%， 10moiy。的二氧化钛粉体的X射线衍射图谱，表明铌掺杂 二氧化钛电极材料为纯相的锐钛矿结构。
图2(a)为180°C水热反应20h得到的未掺杂的二氧化钛粉体的透射电子 显微图像，表明得到的粉体为纳米粉，平均粒径略小于lOnm;图2(b)为180°C 水热反应20h得到的Nb掺杂量为10mol。/。的二氧化钛粉体的透射电子显微图 像，表明得到的粉体为纳米粉，平均粒径约为12nm。
具体实施例方式
下面介绍本发明的实施例，以进一步增加对本发明的了解，但本发明绝 非限于实施例。
实施例l:
将钛酸四丁酯滴加到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%)的混合 溶剂中(NH3*H2O.H202=1:5)，充分搅拌得透明溶液，接着将温度升高至80°C 以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应 釜中，在180°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子 水洗涤3 5次、干燥即得未掺杂的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉体 为纯相的锐钛矿结构，如图1所示，粉体为粒径分布均一的纳米粒子，平均 粒径略小于10nm，其微观TEM照片如图2(a)所示。
将所得粉体与乙基纤维素、聚乙二醇和松节油透醇配制成稳定均一的浆 料，通过丝网印刷在透明导电玻璃上制备半导体前驱膜，经干燥退火得多孔 的半导体阳极膜，将退火后的膜在N719染料中浸渍24h得敏化的多孔阳极膜。与对电极组装成三明治结构的太阳电池，得到的电池在AM1.5模拟光源
下进行电池性能测试，测得的光电转换效率为6.11%。
实施例2:
将lmmol金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3'H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到均一的浓 度为0.02M的铌前驱体溶液。将39mmd钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶 液中控制铌掺杂浓度为2.5mol%，充分搅拌透明溶液，接着将混合液温度升 高至80。C以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊 液移至反应釜中，在180°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉 淀用去离子水洗涤3 5次、干燥即得铌掺杂量为2.5mol。/。的二氧化钛粉体材 料。经表征，所得的粉体为纯相的锐钛矿结构，XRD衍射图如图1所示。
将所得粉体与乙基纤维素、聚乙二醇和松节油透醇配制成稳定均一的浆 料，通过丝网印刷或刮涂法在透明导电玻璃上制备半导体前驱膜，经干燥退 火得多孔的半导体阳极膜，将退火后的膜在N719染料中浸渍24h得敏化的 多孔阳极膜。与对电极组装成三明治结构的太阳电池，得到的电池在AM1.5 模拟光源下进行电池性能测试，测得的光电转换效率为6.77%，较未掺杂的 二氧化钛电极材料，电池性能提高了 10.8%。
实施例3:
将2mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3'H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到均一的浓 度为0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶 液中控制铌掺杂浓度为5.0md%，充分搅拌得透明溶液，接着将混合液温度 升高至80°C以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬 浊液移至反应釜中，在180°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将 沉淀用去离子水洗涤3-5次、干燥即得铌掺杂量为5.0moiy。的二氧化钛粉体 材料。经表征，所得的粉体为纯相的锐钛矿结构，如图1所示。
将粉体用于电极的制作并组装电池测试光电性能，在AM1.5模拟光源 下，测得的光电转换效率为7.21%，较未掺杂的二氧化钛性能提高了 18.0%。
实施例4:
将3mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%)的混合溶剂中(NH3'H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到均一的浓 度为0.06M的铌前驱体溶液。将37mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶 液中控制铌掺杂浓度为7.5mol%，充分搅拌得透明溶液，接着将混合液温度 升高至80。C以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬 浊液移至反应釜中，在180°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将 沉淀用去离子水洗涤3 5次、干燥即得铌掺杂量为7.5mol。/。的二氧化钛粉体 材料。经表征，所得的粉体为纯相的锐钛矿结构，如图l所示。
将粉体用于电极的制作并组装电池测试光电性能，在AM1.5模拟光源 下，测得的光电转换效率为7.77%，较未掺杂的二氧化钛性能提高了27.2%。
将4mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3，H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到均一的浓 度为0.08M的铌前驱体溶液。将36mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶 液中控制铌掺杂浓度为10mol%，充分搅拌得透明溶液，接着将混合液温度 升高至80eC以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬 浊液移至反应釜中，在180°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将 沉淀用去离子水洗涤3~5次、千燥即得铌掺杂量为10moin/。的二氧化钛粉体 材料。经表征，所得的粉体为纯相的锐钛矿结构，如图1所示，粉体为粒径 分布均一的纳米粒子，平均粒径在12nm左右，其微观TEM照片如图2(b) 所示。
将粉体用于电极的制作并组装电池测试光电性能，在AM1.5模拟光源 下，测得的光电转换效率为6.14%，较未掺杂的二氧化钛性能提高了 0.5%。
将8mmol金属单质铌加入到500ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3*H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.016M的铌前驱体溶液。将32mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为20mol%，充分搅拌得透明溶液，接着将混合液温度升高 至80°C以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液 移至反应釜中，在18(rc下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀 用去离子水洗涤3 5次、干燥即得铌掺杂量为20moP/c的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉体为锐钛矿结构。
将2mmo1金属单质钽加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3'H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯加到上述钽前驱体溶液中控 制钽掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余 的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在 18(fC下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3-5 次、干燥即得钽掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉 体为锐钛矿结构。 实施例8:
将2mmo1金属单质锆加入到50ml氮水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3，H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的锆前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯加到上述锆前驱体溶液中控 制锆掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余 的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在 180°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3~5 次、干燥即得锆掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉 体为锐钛矿结构。
将2mmo1金属单质钨加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3，H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的钩前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯加到上述钨前驱体溶液中控 制钨掺杂浓度为5.0mol°/。，充分搅拌后将混合液温度升高至80QC以排除多余 的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在 180OC下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3 5 次、干燥即得钨掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉 体为锐钛矿结构 实施例10:
将2mmo1金属钒加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%)的混合溶剂中(NH^H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为0.04M 的钒前驱体溶液。将38mmol钛酸异丙酯加到上述钒前驱体溶液中控制钒掺 杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余的过氧 化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在120°C 下保温反应240h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3 5次、 干燥即得钒掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉体为 锐钛矿结构。 实施例11:
将2mmo1乙醇铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%)的混 合溶剂中(NH3*H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为0.04M 的铌前驱体溶液。将38mmo1氢氧化钛加到上述铌前驱体溶液中控制铌掺杂 浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余的过氧化 氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在180。C下保 温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3 5次、干燥 即得铌掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉体为锐钛 矿结构。
实施例12:
将2mmo1五氯化铌滴加到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%)的 混合溶剂中(NHvH20:H202=l:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯加到上述铌前驱体溶液中控 制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余 的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在180°C 下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3 5次、 干燥即得铌掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉体为 锐钛矿结构。 实施例13:
将2mmo1五水硝酸钼加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH;rH20:H202=l:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的钼前驱体溶液。将38mmol四氯化钛滴加到上述钼前驱体溶液中控 制钼掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在
80°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3~5 次、干燥即得钼掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉 体为非晶二氧化钛。 实施例14:
将2mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH:rH20:H202=l:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌得后将混合液温度升高至80°C以排除 多余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中， 在300°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗漆 3 5次、干燥即得铌掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得 的粉体为锐钛矿结构。
实施例15:
取5mmolNaOH溶于50ml过氧化氢中(30%)，将2mmo1金属单质钽加 入到上述溶液中，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为0.04M的钽前驱体溶 液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述钽前驱体溶液中控制钽掺杂浓度为 5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多余的过氧化氢和有 机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在120。C下保温反应 20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3~5次、干燥即得铌 掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉体为锐钛矿结构。
实施例16:
将2mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(M^H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多 余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应容器中， 100°C下继续搅拌排除水分，接着在120°C下保温反应lh，自然冷却得目标 产物，研磨即得铌掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的 粉体非晶二氧化钛。实施例17:
将2mmo1无氯化铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%)的 混合溶剂中(NHai20:H202=l:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多 余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应容器中， 100°C下继续搅拌排除水分，接着在120°C下保温反应150h，自然冷却得目 标产物，研磨即得铌掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得 的粉体非晶二氧化钛。 实施例18:
将2mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NHyH20:H202=l:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多 余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应容器中， 100°C下继续搅拌排除水分，接着在600°C下保温反应12h，自然冷却得目标 产物，研磨即得铌掺杂量为5.0mol。/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的 粉体为锐钛矿结构。
实施例19:
将2mmo1金属单质铌加入到50ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3*H20:H202=1:5)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.04M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多 余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应容器中， 100。C下继续搅拌排除水分，接着在1200°C下保温反应6h，自然冷却得目标 产物，研磨即得铌掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的 粉体为金红石结构。 实施例20:
将2mmol金属单质铌加入到400ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3*H2O:H2O2=l:100)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为0.005M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多 余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液，将悬浊液移至反应釜中，在 120°C下保温反应50h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3 5 次、干燥即得铌掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉 体为纯相的锐钛矿结构。 实施例21:
将2mmo1金属单质铌加入到400ml氨水(25-28%)和过氧化氢(30%) 的混合溶剂中(NH3'H2O:H2O2=20:l)，冷水浴中搅拌一段时间后得到浓度为 0.005M的铌前驱体溶液。将38mmol钛酸四丁酯滴加到上述铌前驱体溶液中 控制铌掺杂浓度为5.0mol%，充分搅拌后将混合液温度升高至80°C以排除多 余的过氧化氢和有机物，搅拌2h后得到悬浊液。将悬浊液移至反应釜中，在 120°C下保温反应20h，自然冷却得目标沉淀物，将沉淀用去离子水洗涤3 5 次、干燥即得铌掺杂量为5.0moP/。的二氧化钛粉体材料。经表征，所得的粉 体为纯相的锐钛矿结构。
权利要求
1、一种用于有机无机复合电池的电极材料，其特征在于所述的电极材料以二氧化钛为基，掺杂过渡金属元素形成锐钛矿结构、金红石结构或非晶结构。
2、 按照权利要求1所述的用于有机无机复合电池的电池材料，其特征在于所述的过渡金属元素为Zr、 Hf、 V、 Nb、 Ta、 Cr、 Mo、 W或Sc，掺杂的浓度为0 30mol%。
3、 按照权利要求1或2所述的用于有机无机复合电池的电池材料，其特征在于所述的二氧化钛粉体的粒径为5mn-50iim的粒状、棒状、片状或管状的单晶、多晶、非晶或混晶材料。
4、 按照权利要求1所述的用于有机无机复合电池的电池材料，其特征在于所述的二氧化钛基电极材料通过掺杂量调节二氧化钛的能带结构、改善二氧化钛的电荷分离传输能力，从而提高太阳电池的转换效率。
5、 制备如权利要求1或2中任一项所述的用于有机无机复合电池的电池材料的方法，其特征在丁具体歩骤是a) 稳定的掺杂剂前驱体溶液的制备溶剂采用碱溶液和过氧化氢的混合溶液，其中碱溶液包括氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氢氧化锂溶液、氢氧化铯溶液或氨水、以及上述5种碱溶液中任意二种或几种的混合溶液；溶质采用过渡金属元素以单质、金属氢氧化物、卤化物、硝酸盐、羧酸盐或醇盐形式，将不同量的溶质加入到上述溶剂中，在冷水浴中搅拌一段时间后得到各种浓度的前驱体溶液，浓度范围在0細 10M;b) 基体材料和掺杂剂的混合液制备将二氧化钛源材料，加入到步骤a)所述的掺杂剂前驱体溶液中，搅拌均匀。接着将混合液温度升高至60 100。C以排除多余的过氧化氢和有机物，搅拌0.5 5h后得到悬浊液；c) 二氧化钛基电极材料的合成①、液相法工艺制备二氧化钛基电极材料将步骤b)所得的悬浊液移至反应容器中，在80 450。C温度范围内反应得目标沉淀物，将沉淀洗涤、干燥即得二氧化钛基电极材料；不得②、固相反应制备二氧化钛基电极材料将步骤b)所得的悬浊液移至反应容器中，100°C条件下排除水分，然后在120 1200°C温度范围内热处理得目标产物，将产物洗涤、干燥即得二氧化钛基电极材料。
6、 按权利要求5所述的用于有机无机复合电池的电极材料的制备方法，其特征在于所述的二氧化钛包括金属钛、二氧化钛、氢氧化钛，硝酸钛、硫酸钛、钛黄、卤化钛、羧酸钛或钛醇盐。
7、 按权利要求5所述的用于有机无机复合电池的电极材料的制备方法，其特征在于所述的步骤a中所述碱溶液的浓度范围在10—4~20M，过氧化氢的浓度范围在10-3~20M,碱溶液和过氧化氢的摩尔比为1:0.02 200。
8、 按权利要求5所述的用于有机无机复合电池的电极材料的制备方法，其特征在于(1) 步骤c中液相法制备二氧化钛基电极材料时，在80-45(TC温度范围内反应1-240小时；(2) 步骤c中固相反应制备二氧化钛基电极材料时，热处理时间为0.5-150小时。
全文摘要
本发明涉及一种可用于有机无机复合电池的电极材料，并提供一种该材料简单而成本低廉的制备方法。其特征在于采用一种稳定的前驱体溶液通过液相法工艺或固相反应合成组成可控、性能优异的二氧化钛基电极材料。通过掺杂来调节二氧化钛的能带结构，改善二氧化钛的电荷分离传输能力，所述的掺杂的过渡金属元素为Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W或Sc中的一种。掺杂浓度为0～30mol％。从而提高了太阳电池的转换效率。最高的光电转换效率较未掺杂的提高27.2％。
文档编号H01M4/00GK101478035SQ20091004511
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者吕旭杰, 黄富强 申请人:中国科学院上海硅酸盐研究所