一种膜反应法制备染料敏化太阳能电池纳米二氧化钛薄膜光阳极的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于新能源技术领域，涉及一种膜反应法制备染料敏化太阳能电池纳米T12薄膜光阳极的方法。
【背景技术】
[0002]太阳能是各种可再生能源中最重要的能源之一，太阳能电池利用光电材料吸收光能后转化为电能。目前太阳能电池主要分为四类:(I)硅太阳能电池；(2)非硅无机薄膜太阳能电池；(3)有机太阳能电池；(4)纳米晶染料敏化太阳能电池(DSSC电池)。其中纳米晶染料敏化太阳能电池是一类很有发展前途的太阳能电池，其主要构成部分有导电玻璃、T12半导体、敏化染料、氧化还原电解质和对电极。
[0003]染料敏化太阳能电池中，半导体光阳极是其重要组成部分，它不仅是吸附染料的载体，也是传输电子的载体。染料敏化半导体材料多用二氧化钛，二氧化钛具有对人体无毒性，稳定性好，来源丰富，造价便宜等优点。二氧化钛有金红石，锐钛矿，板钛矿三种晶型，其中锐钛矿型二氧化钛具有最高的光催化活性，更有利于应用于染料敏化太阳能电池。锐钛矿型二氧化钛只能吸收紫外光，而太阳光中紫外光只占3-4%，故需要吸附有机敏化染料分子来吸收可见光能量。二氧化钛薄膜光阳极的粒径，比表面，孔径，孔隙率，膜厚等参数对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有着非常关键的影响。制备纳米结构光阳极可提尚敏化太阳能电池的光电转化效率。
[0004]目前染料敏化太阳能电池二氧化钛纳米材料通常采用常规方法实现钛盐水解，即在酸性条件下溶液中的溶胶凝胶和水热处理进行制备，采用常规方法在酸性条件下合成的二氧化钛纳米溶胶存在结晶度不高，易团聚，粒径分布宽等缺点，限制了其在染料敏化太阳能电池光阳极中的应用。
[0005]本发明提出了一种基于膜反应法的纳米TiCV薄膜光阳极制备方法，该方法能有效控制物料的反应进程，改善合成凝胶的质量。本制备方法简单、高效，有利于工业化应用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种膜反应法制备染料敏化太阳能电池纳米打02光阳极的方法。
[0007]本发明采用了膜反应法，以钛盐的醇溶液为水解反应的前驱体，制备二氧化钛凝胶，使用该凝胶进行涂覆制备近透明的纳米二氧化钛薄膜光阳极，具体包括如下步骤:
(1)将钛盐与稳定剂混合配制为一定浓度的钛盐溶液，室温搅拌均匀，用酸液调节溶液的pH至2以下；
(2)将步骤(I)所制备的钛盐溶液，移入膜介质截留分子量范围为500-20000的膜反应器中，膜反应器以蒸馏水作为流动相进行水解反应，得到均匀透明的二氧化钛溶胶。将二氧化钛溶胶陈化得到二氧化钛水合凝胶，继续透析以去除小分子杂质直至凝胶接近中性； (3)将步骤(2)所得到的二氧化钛凝胶采用减压浓缩或者加热浓缩得到二氧化钛水合凝胶；
(4)将步骤(3)所得到的二氧化钛凝胶涂覆于导电玻璃上，烘干并煅烧，煅烧过程采取程序升温的方式，分阶段从室温至450°C完成煅烧；
(5)将步骤(4)所得到的附着在导电玻璃上的TiCV薄膜，以染料光敏化剂敏化处理，经清洗和干燥后得到二氧化钛薄膜光阳极。
[0008]步骤(I)中钛盐可为四氯化钛、钛酸丁酯、钛酸异丙醇酯中的至少一种，优选的为钛酸异丙醇酯；稳定剂可为乙醇、异丙醇、正丁醇中的至少一种，优选的为异丙醇；钛盐与稳定剂的体积比为1:(1-10);酸液可以是常用的有机或无机酸如硫酸、盐酸、硝酸、醋酸中的任意一种。
[0009]步骤(2)中膜反应器中的膜介质为高分子透析膜或离子交换膜，优选截留分子量(Mw:molecular weight cutoff)范围在 4000-8000 的膜介质。
[0010]步骤(3)中加热浓缩加热温度优选为110°C ;减压浓缩条件优选真空度为1.33kPa，温度为 500C ο
[0011]步骤⑷中导电玻璃可以为FTO (氟掺杂氧化锡导电玻璃)或ITO (氧化铟锡导电玻璃)。
[0012]步骤(4)中程序升温的方式具体为:从室温经过1min升温至100°C，保温30min ;从 100°C经过 30min 升温到 300°C，保温 2.5hr ;从 300°C经 20min 升温到 450°C，并在此温度保持3hr。
[0013]步骤(5)中染料光敏化剂可以是常用的N3 (Ruthenium 535)、N719 (Ruthenium535-bisTBA)、Z907 (Ruthenium520_DN)、黑染料(Ruthenium620_lH3TBA)中的任意一种，优选N719作为染料光敏化剂。
[0014]步骤(5)中所述敏化处理是指用染料敏化剂溶液浸泡步骤4中得到的附着在导电玻璃上的TiCV薄膜，并置于60°C下24hr。
[0015]本发明的有益效果是:1.该方法能有效控制物料的反应进程，改善合成凝胶的质量。2.本制备方法简单、高效，有利于工业化应用。
【附图说明】
[0016]图1:制备的二氧化钛薄膜的SEM图片I ;
图2:制备的二氧化钛薄膜的SEM图片II ;
图3:制备的二氧化钛薄膜的XRD图片I ;
图4:制备的二氧化钛薄膜的XRD图片II ;
图5:制备的二氧化钛薄膜光阳极组装DSSC电池的1-V曲线图1 ;
图6:制备的二氧化钛薄膜光阳极组装DSSC电池的1-V曲线图1I。
【具体实施方式】
[0017]下面进一步列举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。
[0018]实施例1
[0019](I)钛盐溶液的制备:
取1mL钛酸异丙醇酯、10mL异丙醇配制钛盐溶液，置于恒温磁力搅拌器室温搅拌均勾，用lmol/L硫酸调节pH值至2以下。
[0020](2)膜反应法制备1102凝胶:
将步骤(I)所得溶液移入Mw 7000的高分子透析膜制成的透析袋中，用透析袋夹密封，放进二次蒸馏水中进行透析水解反应。水解反应lhr，得到均匀透明的溶胶。溶胶陈化3hr得到二氧化钛水合凝胶，后用蒸馏水不断置换凝胶中的小分子杂质至接近中性，把凝胶从透析袋中移出并密封好。
[0021](3)1102凝胶的浓缩:
将步骤(2)所得凝胶在真空度为1.33kPa，50°C温度下减压浓缩至原体积的十分之一，得到一定粘度的可涂覆的二氧化钛水合凝胶。
[0022](4)1102凝胶的涂覆和煅烧:
将FTO导电玻璃用去离子水、氯仿、丙酮和无水乙醇依次分别超声清洗30分钟，然后浸泡在无水乙醇中保存备用。将清洗好的FTO导电玻璃基底放在玻璃载板上，用透明胶布覆盖FTO导电玻璃两侧边沿，覆盖宽度约0.5mm ;吸取适量的步骤(3)所得到的二氧化钛水合凝胶，滴在FTO导电玻璃中间并均匀刮涂，使非胶带覆盖区域均匀覆盖上二氧化钛水合溶胶。
[0023]把玻璃载板放在无尘柜中红外灯下，利用红