Bi₂S₃量子点敏化TiO₂薄膜电极的制备方法

专利名称：Bi₂S₃量子点敏化TiO₂薄膜电极的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方法。
背景技术：
Ti02薄膜电极禁带较宽(Eg-3.2eV)，只能在紫外区()^380nm)显示光化学 活性，所以对太阳能的利用小于10%。为了提高Ti02薄膜电极光电效率，常 采用贵金属表面沉积、半导体偶合和金属离子掺杂等修饰方法对其进行改性。 其中，半导体偶合是提高Ti02薄膜电极光电转化效率的有效手段之一。当半 导体晶粒尺约10nm时，称作量子点。半导体量子点结构对其中的载流子(如电 子、空穴和激子)有较强的三维量子限制作用，控制量子点的几何形状和尺寸 可改变其电子态结构，实现量子点器件的电学和光学性质的"剪裁"，是目前"能 带工程"，设计的一个重要组成部分。随着半导体量子点制备技术的发展，利 用半导体量子点敏化Ti02电极已成为国内外光电极材料研究的新热点。可用 于敏化Ti02光电极的量子点主要是CdS、 PbS和Bi2S3等窄带隙半导体，其中 Bi2S3是最具潜力的敏化半导体，通过控制其尺寸的分布和有效调节导带可实
现全敏化。目前，很少有报道将Bi2S3应用于TK)2电极，国外报道一种Bi2S3
自组装敏化Ti02电极的方法，但该法的主要问题是制备过程中应用了 H2S气 体，对人体有毒害且容易爆炸，不适合推广。

发明内容
本发明为了解决现有技术在制备Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的过程中
使用H2S气体，对人体有毒害且容易爆炸的问题，而提供一种Bi2S3量子点敏
化Ti02薄膜电极的制备方法。
Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方法按以下步骤实现 一、采用溶
胶凝胶法制得多孔Ti02薄膜电极；二、将步骤一得到的多孔Ti02薄膜电极浸 入l~10g琉基乙酸的乙醇溶液中10 60min;三、再浸入Bi(N03)3溶液中 l~10min，取出后用蒸馏水冲洗，然后再浸入Na2S溶液中1 10min，取出后再 用蒸馏水冲洗；四、重复步骤三5次，即得Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极；
3其中步骤二中琉基乙酸的乙醇溶液中琉基乙酸与乙醇的体积比为1:10 70;步 骤二中的Bi(N03)3溶液由l 20g Bi(N03)3'5H20与10~100ml硝酸溶液配制而 成，硝酸溶液中硝酸与水的体积比为l:2 50;步骤二中Na2S溶液为1.5~15g Na2S'9H20与10~100ml蒸馏水配制而成。本发明方法通过交替的把Ti02薄膜浸入两种盐溶液中，制备结晶性能好、 粒子大小可控的Bi2S3量子点，通过桥联剂的作用，使粒子与粒子紧密结合， 提高电池的稳定性。本方法采用了自组装的方式将Ti02薄膜在琉基乙酸的乙 醇溶液中浸泡一段时间后，再在Bi(N03)3和Na2S溶液中交替浸泡，由于琉基 乙酸的作用，纳米粒子即自组装到多孔膜中，得到Bi2S3量子点敏化的Ti02 薄膜电极。本发明方法通过琉基乙酸的桥连作用，将Bi2S3量子点，复合到Ti02薄膜的表面和孔洞中去。通过对其光电性能的测试发现，量子尺寸能有效的提高 1102薄膜电极的光电流，光电转换效率达1.10%~1.22%。本发明方法未使用H2S气体，对人体无毒害且不易爆炸。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式
，还包括各具体实施方 式间的任意组合。
具体实施方式
一本实施方式Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方法 按以下步骤实现 一、采用溶胶凝胶法制得多孔Ti02薄膜电极；二、将步骤一得到的多孔Ti02薄膜电极浸入1 10g琉基乙酸的乙醇溶液中10 60min;三、 再浸入Bi(N03)3溶液中1 10min，取出后用蒸馏水冲洗，然后再浸入Na2S溶 液中1 10min，取出后再用蒸馏水冲洗；四、重复步骤三5次，即得Bi2S3量 子点敏化Ti02薄膜电极；其中步骤二中琉基乙酸的乙醇溶液中琉基乙酸与乙 醇的体积比为1:10 70;步骤二中的Bi(N03)3溶液由l 20g Bi(N03)3'5H20与 10~100ml硝酸溶液配制而成，硝酸溶液中硝酸与水的体积比为l:2 50;步骤 二中Na2S溶液为1.5~15gNa2S'9H20与10-lOOml蒸馏水配制而成。本实施方式步骤一中溶胶凝胶法制得多孔Ti02薄膜电极的方法按以下步 骤实现将2.84 8.52g钛酸异丙脂与0.6-1.8g醋酸混合，然后将混合液滴加到 15 45ml蒸馏水中，再加入0.2~0.6ml硝酸，70 9(TC温度下搅拌1 3h，然后在220 23(TC下进行水热处理10~15h，离心，用无水乙醇洗涤沉淀2~5次， 向沉淀中加入2.25~6.75g质量浓度为10%的乙基纤维素的乙醇溶液和 3.25 9.75g松油醇后，进行超声分散得到均匀的Ti02胶体，将其涂敷在FTO 导电玻璃基底上，室温下晾干，然后在马弗炉400 500。C下烧结10 50min， 得到多孔Ti02薄膜电极。
本实施方式制得的产物通过对其光电性能的测试发现，量子尺寸能有效的 提高Ti02薄膜电极的光电流，光电转换效率达1.10% 1.22%。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中多孔 Ti02薄膜电极浸入2 8g琉基乙酸的乙醇溶液中。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中多孔 Ti02薄膜电极浸入lg琉基乙酸的乙醇溶液中。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中多孔 Ti02薄膜电极浸入10g琉基乙酸的乙醇溶液中。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤二中多孔 Ti02薄膜电极浸入5g琉基乙酸的乙醇溶液中。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中浸 入琉基乙酸乙醇溶液20 50min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中浸 入琉基乙酸乙醇溶液10min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中浸 入琉基乙酸乙醇溶液60min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤二中浸 入琉基乙酸乙醇溶液40min。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
十本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤二中浸入 Bi(N03)3溶液中2 8min。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十一本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤二中浸入 Bi(N03)3溶液中lrnin。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十二本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤二中浸入 Bi(N03)3溶液中10min。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十三本实施方式与具体实施方式
六不同的是步骤二中浸入 Bi(N03)3溶液中5min。其它与具体实施方式
六相同。
具体实施方式
十四本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤 二中浸入Na2S溶液中2 8min。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十五本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤 二中浸入Na2S溶液中lmin。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十六本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤 二中浸入Na2S溶液中10min。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十七本实施方式与具体实施方式
一、二或十不同的是步骤 二中浸入Na2S溶液中5min。其它与具体实施方式
一、二或十相同。
具体实施方式
十八本实施方式Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方 法按以下步骤实现 一、将5.68g钛酸异丙脂与1.2g醋酸混合，然后将混合液 滴加到29ml蒸馏水中，再加入0.4ml硝酸，8(TC温度下搅拌2h，然后在225匸 下进行水热处理12h，离心，用无水乙醇洗涤深沉3次，向沉淀中加入4.5g 质量浓度为10%的乙基纤维素的乙醇溶液和6.5g松油醇后，进行超声分散得 到均匀的Ti02胶体，将其涂敷在FTO导电玻璃基底上，室温下晾干，然后在 马弗炉450'C下烧结30min，得到多孔7102薄膜电极；二、将步骤一得到的多 孔TiO2薄膜电极浸入lg琉基乙酸的乙醇溶液20min;三、再浸入Bi(N03)3溶 液中lmin，取出后用蒸馏水冲洗，然后再浸入Na2S溶液中lmin，取出后再 用蒸馏水冲洗；四、重复步骤三5次，即得Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极； 其中步骤二中琉基乙酸的乙醇溶液中琉基乙酸与乙醇的体积比为1:30;步骤二 中的Bi(N03)3溶液由12.5gBi(NO3)y5H2O与20ml硝酸溶液配制而成，硝酸溶 液中硝酸与水的体积比为1:5;步骤二中Na2S溶液为5g Na2S，9H20与20ml 蒸馏水配制而成。
本实施方式制得的产物通过对其光电性能的测试发现，量子尺寸能有效的 提高Ti02薄膜电极的光电流，光电转换效率达1.16%。
具体实施方式
十九本实施方式Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方
法按以下步骤实现 一、将5.68g钛酸异丙脂与1.2g醋酸混合，然后将混合液 滴加到29ml蒸馏水中，再加入0.4ml硝酸，8(TC温度下搅拌2h,然后在225'C下进行水热处理12h,离心，用无水乙醇洗涤深沉3次，向沉淀中加入4.5g 质量浓度为10%的乙基纤维素的乙醇溶液和6.5g松油醇后，进行超声分散得 到均匀的Ti02胶体，将其涂敷在FTO导电玻璃基底上，室温下晾干，然后在 马弗炉450'C下烧结30min，得到多孔7102薄膜电极；二、将步骤一得到的多 孔Ti02薄膜电极浸入5g琉基乙酸的乙醇溶液30min;三、再浸入Bi(N03)3溶 液中3min，取出后用蒸馏水冲洗，然后再浸入Na2S溶液中3min，取出后再
用蒸馏水冲洗；四、重复步骤三5次，即得Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极；
其中步骤二中琉基乙酸的乙醇溶液中琉基乙酸与乙醇的体积比为1:40;步骤二 中的Bi(N03)3溶液由5gBi(N03)3'5H20与30ml硝酸溶液配制而成，硝酸溶液 中硝酸与水的体积比为1:4;步骤二中Na2S溶液为7.5gNa2S*9H20与30ml蒸 馏水配制而成。
本实施方式制得的产物通过对其光电性能的测试发现，量子尺寸能有效的 提高Ti02薄膜电极的光电流，光电转换效率达1.22%。
具体实施方式
二十本实施方式Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方
法按以下步骤实现 一、将5.68g钛酸异丙脂与1.2g醋酸混合，然后将混合液 滴加到29ml蒸馏水中，再加入0.4ml硝酸，80'C温度下搅拌2h，然后在225。C 下进行水热处理12h，离心，用无水乙醇洗涤深沉3次，向沉淀中加入4.5g 质量浓度为10%的乙基纤维素的乙醇溶液和6.5g松油醇后，进行超声分散得 到均匀的Ti02胶体，将其涂敷在FTO导电玻璃基底上，室温下晾干，然后在 马弗炉450。C下烧结30min，得到多孔1102薄膜电极；二、将步骤一得到的多 孔TiO2薄膜电极浸入9g琉基乙酸的乙醇溶液60min;三、再浸入Bi(N03)3溶 液中10min，取出后用蒸馏水冲洗，然后再浸入Na2S溶液中10min，取出后 再用蒸馏水冲洗；四、重复步骤三5次，即得Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极; 其中步骤二中琉基乙酸的乙醇溶液中琉基乙酸与乙醇的体积比为1:20;步骤二 中的Bi(N03)3溶液由7.5g Bi(N03)3'5H20与40ml硝酸溶液配制而成，硝酸溶 液中硝酸与水的体积比为1:6;步骤二中Na2S溶液为10g Na2S*9H20与40ml 蒸馏水配制而成。
本实施方式制得的产物通过对其光电性能的测试发现，量子尺寸能有效的 提高Ti02薄膜电极的光电流，光电转换效率达1.20%。
权利要求
1、Bi2S3量子点敏化TiO2薄膜电极的制备方法，其特征在于Bi2S3量子点敏化TiO2薄膜电极的制备方法按以下步骤实现一、采用溶胶凝胶法制得多孔TiO2薄膜电极；二、将步骤一得到的多孔TiO2薄膜电极浸入1～10g琉基乙酸的乙醇溶液中10～60min；三、再浸入Bi(NO3)3溶液中1～10min，取出后用蒸馏水冲洗，然后再浸入Na2S溶液中1～10min，取出后再用蒸馏水冲洗；四、重复步骤三5次，即得Bi2S3量子点敏化TiO2薄膜电极；其中步骤二中琉基乙酸的乙醇溶液中琉基乙酸与乙醇的体积比为1∶10～70；步骤二中的Bi(NO3)3溶液由1～20g Bi(NO3)3·5H2O与10～100ml硝酸溶液配制而成，硝酸溶液中硝酸与水的体积比为1∶2～50；步骤二中Na2S溶液为1.5～15g Na2S·9H2O与10～100ml蒸馏水配制而成。
2、 根据权利要求1所述的Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方法， 其特征在于步骤二中多孔Ti02薄膜电极浸入2 8g琉基乙酸的乙醇溶液中。
3、 根据权利要求1或2所述的Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方 法，其特征在于步骤二中浸入琉基乙酸乙醇溶液20 50min。
4、 根据权利要求3所述的Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备方法， 其特征在于步骤二中浸入Bi(N03)3溶液中2 8min。
5、 根据权利要求l、 2或4所述的Bi2S3量子点敏化Ti02薄膜电极的制备 方法，其特征在于步骤二中浸入Na2S溶液中2 8min。
全文摘要
Bi₂S₃量子点敏化TiO₂薄膜电极的制备方法，它涉及一种量子点敏化TiO₂薄膜电极的制备方法。本发明解决了现有技术在制备Bi₂S₃量子点敏化TiO₂薄膜电极的过程中使用H₂S气体，对人体有毒害且容易爆炸的问题。方法如下制备多孔TiO₂薄膜电极；浸入琉基乙酸的乙醇溶液；在Bi(NO₃)₃溶液和Na₂S溶液中交替浸泡，即得Bi₂S₃量子点敏化TiO₂薄膜电极。本发明方法制得的Bi₂S₃量子点敏化TiO₂薄膜电极表面复合的Bi₂S₃量子点多且分布均匀，光电转化率达1.10％～1.22％。本发明方法在制备过程中未使用H₂S气体，对人体无毒害且不易爆炸从而保证了环境友好，本发明方法操作简单。
文档编号H01M14/00GK101515506SQ200910071739
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月8日 优先权日2009年4月8日
发明者吴晓宏, 伟 秦, 璐 韩 申请人:哈尔滨工业大学