CN101697321A - 一种染料敏化太阳能电池用二氧化钛致密膜的制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池用二氧化钛致密膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是使用工业级的硫酸氧钛为钛源，制作适于涂膜的水性的二氧化钛溶胶；将二氧化钛溶胶经旋涂成膜及高温热处理后得到了高性能的纳米二氧化钛致密薄膜，可以提高二氧化钛薄膜与基体间的结合程度，可以有效阻止电解液与光阳极接触，从而减少电子复合，因而有助于大幅提高电池性能，而且由于该浆料成本低廉，有助于推进染料敏化太阳能电池的产业化进程。

Description

一种染料敏化太阳能电池用二氧化钛致密膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池及光催化相关领域使用的二氧化钛薄膜的制备方法，属于新材料技术及新能源技术领域；
背景技术
染料敏化太阳能电池，凭借其低成本、简捷的制备工艺条件和良好的环境相容性成为了太阳能电池领域的研究热点。而其核心部件二氧化钛光阳极起着负载敏化剂，收集和传导电子的重要作用，因而制备出具有复合形貌的二氧化钛薄膜是研究的重要方向更是其走向产业化的前提[Kuang，D.；Wang，P.；Ito，S.；Zakeeruddin，S.M.；Gra¨tzel，M.J.Am.Chem.Soc.2006，128，7732.]。但长期以来二氧化钛致密薄膜的制备大都使用传统的溶胶-凝胶法，这些方法使用价格昂贵的钛醇盐，一方面含有大量的有机溶剂会造成环境污染，另一方面由于钛醇盐极易水解，工艺条件要求苛刻，不适于大规模产业化。
发明内容：
针对上述现有技术存在的不足，本发明提出了一种制备成本低，制备工艺简单，保证太阳能电池性能良好的二氧化钛致密薄膜的制备方法。
本发明的二氧化钛薄膜的制备通过以下技术方案实现：
1、一种用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛致密薄膜的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)使用工业级的硫酸氧钛为钛源，15-20℃下将硫酸氧钛和水按钛离子浓度为1-4mol/L的比例混合后静置12～18小时；
2)待溶液澄清后过滤，然后将高浓的硫酸氧钛溶液与氨水共沉淀滴定至pH值等于7，得到白色沉淀，然后将其洗涤至无硫酸根残留；
3)将得到的白色沉淀在30～80℃下，按Ti4+∶有机酸∶双氧水的摩尔比为1∶2∶2～1∶10∶10进行胶溶，将该溶液的pH值调节至7～8，然后静置陈化12～18小时后得到二氧化钛溶胶；
4)将该二氧化钛溶胶经喷涂和旋涂方式成膜；
5)最后在300-550℃热处理1～6小时，即得到结晶良好的纳米二氧化钛致密薄膜。
步骤3)中所述的有机酸可以选择草酸、柠檬酸、酒石酸、苯甲酸中的一种。
步骤4)所述的喷涂和旋涂成膜是指将该二氧化钛溶胶喷涂于FTO玻璃表面，1000～4000rpm转速下旋涂10～30秒成膜。
本发明是将用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛溶胶，经旋涂成膜及高温热处理后得到了高性能的纳米二氧化钛致密薄膜，可以提高二氧化钛薄膜与基体间的结合程度，可以有效阻止电解液与光阳极接触，从而减少电子复合，因而有助于大幅提高电池性能，而且由于该浆料成本低廉，有助于推进染料敏化太阳能电池的产业化进程。
附图说明：
图1为采用本发明制备的二氧化钛致密薄膜的场发射扫描电镜照片；
图2为采用本发明制备的二氧化钛致密薄膜的能谱图。
具体实施方式：
实施例1
首先在15-20℃下将硫酸氧钛和水按钛离子浓度为2mol/L的比例混合后静置14小时澄清，过滤后与1mol/L的氨水共沉淀滴定至pH值等于7时为止，得到的白色沉淀，离心洗涤至用Ba(NO3)2溶液检测不到残余的SO4 2-离子为止，然后在60℃下，按Ti4+∶有机酸∶双氧水的摩尔比为1∶5∶5进行溶解，然后用氨水将该溶液的pH值调节至7，静置12小时后即得到适于涂膜的水性的二氧化钛溶胶；然后将其喷涂于FTO玻璃表面，3000rpm转速下旋涂20秒成膜；最后经在60℃下真空干燥30分钟，450℃下热处理3小时后得到结晶良好的纳米二氧化钛致密膜。
实施例2
首先在15-20℃下将硫酸氧钛和水按钛离子浓度为1mol/L的比例混合后静置12小时澄清，过滤后与1mol/L的氨水共沉淀滴定至pH值等于7时为止，得到的白色沉淀，离心洗涤至用Ba(NO3)2溶液检测不到残余的SO4 2-离子为止，然后在30℃下，按Ti4+∶有机酸∶双氧水的摩尔比为1∶2∶2进行溶解，然后用氨水将该溶液的pH值调节至7.5，静置14小时后即得到适于涂膜的水性的二氧化钛溶胶；将其喷涂于FTO玻璃表面，1000转速下旋涂30s成膜；然后经过60℃下真空干燥30min，300℃下热处理6h后得到结晶良好的纳米二氧化钛致密膜。
实施例3
首先在15-20℃下将硫酸氧钛和水按钛离子浓度为4mol/L的比例混合后静置18小时澄清，过滤后与1mol/L的氨水共沉淀滴定至pH值等于7时为止，得到的白色沉淀，离心洗涤至用Ba(NO3)2溶液检测不到残余的SO4 2-离子为止，然后在80℃下，按Ti4+∶有机酸∶双氧水的摩尔比为1∶10∶10进行溶解，然后用氨水将该溶液的pH值调节至8，静置16小时后即得到适于涂膜的水性的二氧化钛溶胶；将其喷涂于FTO玻璃表面，4000转速下旋涂10s成膜；然后经过60℃下真空干燥30min，500℃下热处理2h后得到结晶良好的纳米二氧化钛致密膜。
实施例4
首先在15-20℃下将硫酸氧钛和水按钛离子浓度为1mol/L的比例混合后静置16小时澄清，过滤后与3mol/L的氨水共沉淀滴定至pH值等于7时为止，得到的白色沉淀，离心洗涤至用Ba(NO3)2溶液检测不到残余的SO4 2-离子为止，然后在50℃下，按Ti4+∶有机酸∶双氧水的摩尔比为1∶5∶6进行溶解，然后用氨水将该溶液的pH值调节至8，静置18小时后即得到适于涂膜的水性的二氧化钛溶胶；将其喷涂于FTO玻璃表面，3000转速下旋涂25s成膜；然后经过60℃下真空干燥30min，550℃下热处理2h后得到结晶良好的纳米二氧化钛致密膜。
如图1所示，采用本发明制备的二氧化钛致密薄膜由尺寸约为10nm左右的颗粒组成，颗粒大小均匀，结合较致密，保证了良好的电荷传输能力和有效的阻隔电解质。
如图2所示，可以看到除了玻璃基底的Si、O、Ca、Na等元素外薄膜含有Ti元素，由于薄膜较薄，仅能检测到微量的钛，但足以说明表面覆盖了一层很致密的二氧化钛薄膜。

Claims (3)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛致密薄膜的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)使用工业级的硫酸氧钛为钛源，15-20℃下将硫酸氧钛和水按钛离子浓度为1-4mol/L的比例混合后静置12～18小时；
2)待溶液澄清后过滤，然后将高浓的硫酸氧钛溶液与氨水共沉淀滴定至pH值等于7，得到白色沉淀，然后将其洗涤至无硫酸根残留；
3)将得到的白色沉淀在30～80℃下，按Ti4+：有机酸：双氧水的摩尔比为1∶2∶2～1∶10∶10进行胶溶，将该溶液的pH值调节至7～8，然后静置陈化12～18小时后得到二氧化钛溶胶；
4)将该溶胶二氧化钛经喷涂和旋涂方式成膜；
5)最后在300-550℃热处理1～6小时，即得到结晶良好的纳米二氧化钛致密薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛致密薄膜的制备方法，其特征在于：步骤3)中所述的有机酸可以选择草酸、柠檬酸、酒石酸、苯甲酸中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳能电池的二氧化钛致密薄膜的制备方法，其特征在于：步骤4)所述的喷涂和旋涂成膜是指将该二氧化钛溶胶喷涂于FTO玻璃表面，1000～4000rpm转速下旋涂10～30秒成膜。
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