CN104310794A - 三维纳米棒花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用 - Google Patents

三维纳米棒花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

一种三维纳米棒花结构的多孔TiO2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，属于染料敏化太阳能电池技术领域。本发明所述的染料敏化太阳能电池，由阳极导电玻璃FTO、光阳极、电解质溶液(I-/I3 -)和Pt对电极组成，电解质溶液通过真空回填的方法注入电池，结构如图1所示，其特征在于：光阳极材料为本发明所制备的具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜，该多孔TiO2纳米晶薄膜具有很好的光散射作用。入射光透过导电玻璃FTO进入该多孔TiO2纳米晶薄膜，因为该材料具有特殊的多孔结构可以多次反射并有效地吸收入射光，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。

Description

三维纳米棒花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及一种三维纳米棒花结构的多孔TiO2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
随着人们对绿色能源的迫切需要，太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源现在已经吸引了全球的广泛关注。在太阳能的有效利用中，太阳能电池是目前发展最快、最具活力的研究领域。硅系太阳能电池是研究最早，也是目前技术最成熟的太阳能电池之一，但是由于硅系电池原料价格昂贵和繁琐的生产工艺，使人们不断寻找和开发低成本的太阳能电池作为单晶硅太阳能电池的替代品。1991年瑞士洛桑工学院的Michael 教授等利用联吡啶钌(Ⅱ)络合物染料和多孔二氧化钛纳米晶薄膜制备的染料敏化太阳能电池，在AM1.5的太阳光照射下突破性地取得了7.1％的光电转换效率，而其更具有制作工艺简单、成本低廉、稳定性好和效率高等优点。这种新型光伏电池的制作成本仅为硅太阳能电池的1/5～1/10，使用寿命则长达20年以上。经过近十几年的研究，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。
N型半导体氧化物TiO2纳米晶薄膜是染料敏化太阳能电池最重要的光阳极材料，其承载着染料的吸附，电子的传输和对入射光的散射等任务。由于在纳米尺寸改变TiO2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，所以目前对于多孔TiO2纳米晶薄膜的研究是染料敏化太阳能电池研究的主要方向之一。一维的TiO2纳米结构，例如纳米管、纳米线和纳米带，因其快速的电子传输速率受到广泛的研究，但一维纳米结构比表面积有限，不利于吸附更多的染料，且对光的散射能力一般。因此，具有高电子传输速率和大比表面积的TiO2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，具有深远的研究意义和广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜、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。该方法制得的多孔二氧化钛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。
本发明所述的染料敏化太阳能电池，由阳极导电玻璃FTO、光阳极、电解质溶液(I-/I3 -)和Pt对电极组成，电解质溶液通过真空回填的方法注入电池，结构如图1所示，其特征在于：光阳极材料为本发明所制备的具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜，该多孔TiO2纳米晶薄膜具有很好的光散射作用。入射光透过导电玻璃FTO进入该多孔TiO2纳米晶薄膜，因为该材料具有特殊的多孔结构可以多次反射并有效地吸收入射光，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。
本发明所述的一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜的制备方法，其步骤如下：
(1)量取3～6mL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10～20min；
(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(1)所得到的溶液中，磁力搅拌30～60min；
(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，并将FTO导电玻璃(日本板硝子公司)浸入到该混合溶液中，在160～200℃下反应2～5小时，自然冷却至室温后在FTO导电玻璃上生长得到一层膜厚为16～30μm的TiO2纳米晶薄膜；
(4)将TiO2纳米晶薄膜用去离子水冲洗3～5次，然后再用乙醇冲洗3～5次；最后把洗涤过的产物在60～80℃的真空条件下烘干5～10小时，取出后即在FTO导电玻璃上得到本发明所述的具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜。
本发明提供了一种多孔二氧化钛纳米晶薄膜，其是由上述方法制备所得，在其XRD表征图中，2θ分别为27.44、36.04、39.28、41.36、44.16、54.40、56.52、62.77、69.02以及69.90，从标准卡片上可知为金红石结构。
本发明所述的三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜由一维纳米棒阵列和沉积在纳米棒阵列上的三维花状体两部分组成。长度约为3～6μm的一维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。三维花状体直径约为6～10μm，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一维纳米棒阵列上并最终形成如图2所示的一维与三维混合结构。三维花状体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。
本发明的优点：该制备方法具有产生效率高、成本低、方法简单和实验周期短的优点。制备的二氧化钛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可达4.16％。
附图说明
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，具有三维纳米棒花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜2，Pt对电极3，电解质溶液(I-/I3 -)4，导电玻璃FTO5。
图2：本发明实施例1制备的多孔二氧化钛纳米晶薄膜放大2000倍的扫描电镜图片；其中图2(a)为侧视图，图2(b)为俯视图，插图为单个三维花状体，如图所示，其直径约为8μm，由许多纳米棒组成。
图3：本发明实施例1制备的多孔二氧化钛纳米晶薄膜的XRD图；从标准卡片上可知该材料为金红石结构。
图4：商用二氧化钛(P25)和本发明实施例1制备的二氧化钛(TNRF)的漫反射谱图；在可见光波长范围内(400～800nm)，TNRF的反射率明显高于P25，使得TNRF更适合作为反射层从而提高入射光的利用率。
图5：以商用二氧化钛(P25)和本发明实施例1制备的二氧化钛(TNRF)作为光阳极制作的电池的J-V图；如图所示，TNRF和P25电池具有几乎相同的开路电压，但TNRF电池的短路电流则由7.55mA/cm2(P25)提高到12.56mA/cm2。
具体实施方式
实施例1：用一步水热合成法制备三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜，具体过程如下
(1)量取4mL盐酸(浓度36wt.％)(北京精细化学有限公司)，加入到6mL去离子水中，磁力搅拌15min；
(2)量取0.4mL钛酸四丁酯(北京精细化学有限公司)，加入到步骤(1)中所述混合溶液中，磁力搅拌30min；
(3)将步骤(2)中的混合溶液倒入内衬为聚四氟乙烯的高压反应釜中(容积45mL)，并将一片FTO导电玻璃(规格2.2mm，电阻14欧，透光率90％，日本板硝子公司)放置在反应釜底部并浸入到混合溶液中，在180℃下反应3小时，自然冷却到室温，从而在导电玻璃上生长得到一层膜厚约为28μm的TiO2纳米晶薄膜；
(4)将TiO2纳米晶薄膜用去离子水冲洗3次，然后再用乙醇冲洗3次；最后把洗涤过的产物放入到80℃真空烘箱中，烘干8小时，取出后得到本发明所述的具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜。该薄膜呈白色，致密且牢固生长在FTO表面，膜厚约为28μm。
表1：以P25为光阳极和以TNRF为光阳极制备的染料敏化太阳能电池的各项电池性能参数对比数据
表1中列出了分别以P25和以TNRF为光阳极材料的电池的性能参数，其中Jsc是短路电流，Voc是开路电压，FF是填充因子，η是光电转换效率；R1、R2和R3是复阻抗谱(EIS)等效电路的拟合参数，反应了电池的电子传输特性；Dye adsorption是染料敏化过程中光阳极吸附的染料量。从表中可以看出通过使用TNRF作为光阳极材料，可以对电池的性能有一些改善。

Claims (3)

1.一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜的制备方法，其步骤如下：
(1)量取3～6mL盐酸，浓度30～40wt.％，加入到6mL去离子水中，磁力搅拌10～20min；
(2)量取0.2～0.4mL钛酸四丁酯，加入到步骤(1)所得到的溶液中，磁力搅拌30～60min；
(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，并将FTO导电玻璃浸入到该混合溶液中，在160～200℃下反应2～5小时，自然冷却至室温后在FTO导电玻璃上生长得到一层膜厚为16～30μm的TiO2纳米晶薄膜；
(4)将TiO2纳米晶薄膜用去离子水冲洗3～5次，然后再用乙醇冲洗3～5次；最后把洗涤过的产物在60～80℃的真空条件下烘干5～10小时，取出后即在FTO导电玻璃上得到三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜。
2.一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜，其特征在于：由权利要求1所述的方法制备得到。
3.权利要求2所述的一种具有三维纳米棒花结构的多孔二氧化钛纳米晶薄膜在作为染料敏化太阳能电池光阳极方面的应用。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104752063A (zh) * 2015-04-11 2015-07-01 吉林大学 三维纳米棒片花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用
CN105702472A (zh) * 2016-01-25 2016-06-22 北京大学深圳研究院 一种太阳能电池电极及其制备方法、太阳能电池
AT518339A1 (de) * 2016-02-03 2017-09-15 Sfl Tech Gmbh Kondensator für eine elektrische Schaltung und elektrische Schaltung
CN107789673A (zh) * 2017-09-21 2018-03-13 湖北大学 一种由660纳米红光激发的具有光催化性能的三维花状杂化涂层制备方法
CN108840579A (zh) * 2018-08-02 2018-11-20 合肥工业大学 一种超细TiO2纳米晶阵列及其制备方法
CN109585685A (zh) * 2018-12-07 2019-04-05 纳晶科技股份有限公司 光取出结构、其制作方法及发光器件

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101916670A (zh) * 2010-08-25 2010-12-15 广东工业大学 一种TiO2纳米花薄膜光阳极及其制备方法
CN102786085A (zh) * 2012-08-06 2012-11-21 东华大学 一种金红石型二氧化钛纳米棒微球的制备方法
CN103030177A (zh) * 2012-12-25 2013-04-10 王滨 一种二氧化钛纳米花薄膜的制备方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101916670A (zh) * 2010-08-25 2010-12-15 广东工业大学 一种TiO2纳米花薄膜光阳极及其制备方法
CN102786085A (zh) * 2012-08-06 2012-11-21 东华大学 一种金红石型二氧化钛纳米棒微球的制备方法
CN103030177A (zh) * 2012-12-25 2013-04-10 王滨 一种二氧化钛纳米花薄膜的制备方法

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104752063A (zh) * 2015-04-11 2015-07-01 吉林大学 三维纳米棒片花结构的多孔TiO2纳米晶薄膜、制备方法及应用
CN105702472A (zh) * 2016-01-25 2016-06-22 北京大学深圳研究院 一种太阳能电池电极及其制备方法、太阳能电池
AT518339A1 (de) * 2016-02-03 2017-09-15 Sfl Tech Gmbh Kondensator für eine elektrische Schaltung und elektrische Schaltung
CN107789673A (zh) * 2017-09-21 2018-03-13 湖北大学 一种由660纳米红光激发的具有光催化性能的三维花状杂化涂层制备方法
CN108840579A (zh) * 2018-08-02 2018-11-20 合肥工业大学 一种超细TiO2纳米晶阵列及其制备方法
CN109585685A (zh) * 2018-12-07 2019-04-05 纳晶科技股份有限公司 光取出结构、其制作方法及发光器件
CN109585685B (zh) * 2018-12-07 2021-06-01 纳晶科技股份有限公司 光取出结构、其制作方法及发光器件

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