專利名稱：復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜的制備方法
技術領域：
本發明是關于太陽能光電利用領域中的染料敏化太陽能電池技術，具體涉及一種染料敏化太陽能電池的納米復合有序多孔電極的制備方法。
背景技術：
隨著經濟和社會的不斷發展，能源危機和環境污染已經成為全人類生存與發展面臨的嚴重挑戰。染料敏化太陽能電池(DSSC)因其光電轉換效率高、成本低、工藝簡單等優點已經成為當前重要研究方向，其中以多孔二氧化鈦(TiO2)納米晶薄膜為基礎的DSSC已獲得了 11%的光電轉換效率。染料敏化太陽能電池的核心部分是納米晶薄膜，國內外普遍采用具有較大比表面積的多孔薄膜以增加染料的吸附量，提高對太陽光的吸收效率。但是多孔薄膜的結構對電池的性能有較大影響，尤其是無序結構中電子空穴復合嚴重，限于不同制備方法對多孔薄膜結構的影響以及TW2較大的禁帶寬度，上述技術還有一定的局限性。以模板法制備的有序多孔TiO2薄膜具有足夠大的比表面積，同時可以減少電子的復合而提高光電性能，此外， 通過對TiA摻雜，改變TiA的能級結構，使之更有利于電子轉移，抑制電子-空穴復合，提高DSSC電池的光電性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種用于染料敏化太陽電池的新型半導體電極的制備方法。能夠實現可見光響應，同時有利于比表面積的增大以及光生電子和空穴的分離，從而提高染料敏化太陽電池的光電轉換效率。本發明所采用的技術方案是一種染料敏化太陽能電池半導體電極，其特征在于所述的電極是采用稀土摻雜改性與有序多孔結構薄膜相結合來制備的。本發明制備的稀土摻雜改性的有序多孔半導體電極的方法包括以下步驟1.制備聚苯乙烯微球乳液及組裝聚苯乙烯微球膠晶模板將苯乙烯倒入分液漏斗中，依次用0. IM的NaOH溶液及二次去離子水洗滌四次，除去阻聚物；在IOOmL的四頸燒瓶中加入40mL 二次去離子水及十二烷基苯磺酸鈉(0. 005 0. 015g)，攪拌溶解，水浴加熱到78°C后通入氮氣，再加入NaHCO3 (0. 01 0. 05g)及IOmL洗滌好的苯乙烯單體；繼續加熱回流攪拌1小時，將K2S2O8 (0. 05 0. 2g)溶于IOmL 二次去離子水后滴加到燒瓶中，控制溫度在(78士幻°C，加熱回流攪拌反應8 M小時后停止反應， 制得粒徑均勻的聚苯乙烯微球乳液。以導電玻璃為基底，依次用異丙醇、丙酮、二次去離子水和無水乙醇超聲清洗30 分鐘，干燥后垂直浸入聚苯乙烯微球乳液，靜置1 5分鐘后以1 lOcm/min的速度將基底垂直提拉出，在45°C下干燥30分鐘后制備出聚苯乙烯微球膠晶模板。其中導電基片采用導電FTO玻璃(摻氟的氧化錫玻璃)或導電ITO玻璃(摻錫的氧化銦玻璃)。
2.制備摻雜改性前軀體溶膠將鈦酸丁酯(5 IOml)和稀土 Gd的硝酸溶液溶于無水乙醇(1 15ml)中，稀土的摻雜比例為(0. 5% )，完全溶解后滴加無水乙醇(5 20ml)和冰醋酸(0. 5 3ml)，攪拌(0. 5 2小時)，再滴加硝酸(0. 1 Iml)，在常溫下攪拌即可得到透明的摻雜改性二氧化鈦前驅溶膠，將此溶膠陳化1 M小時備用。稀土 Gd可用其他稀土元素替代。硝酸的濃度為1. Omol/L。3.浸漬提拉法制備復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜將負載有聚苯乙烯微球膠晶模板的導電玻璃基底浸入摻雜改性的二氧化鈦前軀體溶膠中，靜置1 5分鐘后將填充有摻雜改性二氧化鈦前驅溶膠的導電玻璃基底提拉出， 于烘箱中30°C干燥1小時，將所得樣品在500°C下煅燒2小時，自然冷卻到室溫，制備出摻雜改性復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜。相對于現有技術，本發明的有益效果在于利用PS模板制備的有序多孔二氧化鈦薄膜有利于電子空穴對的分離和電子的傳輸，減少了電子的損失，有利于提高染料敏化太陽能電池的光電轉換效率；有序多孔薄膜具有比較大的比表面積，增加了染料的吸附量，從而提高了對光的利用率。同時經過稀土摻雜改性改變二氧化鈦的能級結構，使之更有利于電子轉移，抑制電子-空穴復合，從而改善了整個染料敏化太陽能電池的光電轉換性能。
圖1 聚苯乙烯微球膠晶模板組裝有序多孔TiA薄膜的示意圖。(a)自組裝的聚苯乙烯微球膠晶陣列模板；(b)將摻雜改性前軀體溶膠填充到聚苯乙烯微球膠晶陣列模板中；(c)熱煅燒除去模板微球得到的有序多孔T^2薄膜；圖2 有序多孔T^2薄膜的掃描電子顯微鏡圖。圖3 有序多孔TW2薄膜的X射線衍射圖。
具體實施例方式以下結合實例和附圖對本發明作進一步詳細描述。聚苯乙烯微球乳液的制備及聚苯乙烯微球膠晶模板的組裝將苯乙烯倒入分液漏斗中，依次用0. IM的NaOH溶液及二次去離子水洗滌四次，除去阻聚物；在IOOmL的四頸燒瓶中加入40mL 二次去離子水及0. 0125g十二烷基苯磺酸鈉，攪拌溶解，水浴加熱到78°C后通入氮氣，再加入0. 04g NaHCO3及IOmL洗滌好的苯乙烯單體；繼續加熱回流攪拌1小時， 將0. IgKj2O8溶于IOmL 二次去離子水后滴加到燒瓶中，控制溫度在(78 士 2) °C，加熱回流攪拌反應12小時后停止反應，制得粒徑為450nm的聚苯乙烯微球乳液。以FTO導電玻璃為基底，依次用異丙醇、丙酮、二次去離子水和無水乙醇超聲清洗 30分鐘，干燥后垂直浸入聚苯乙烯微球乳液，靜置3分鐘后以km/min的速度將基底垂直提拉出，在45°C下干燥30分鐘后制備出聚苯乙烯微球膠晶模板。有序多孔納米二氧化鈦薄膜的制備將6. 5ml鈦酸丁酯溶于IOml無水乙醇中，充分混合后滴加15ml無水乙醇和0. 5ml冰醋酸，攪拌2小時，再滴加1. Omol/L的硝酸0. 5ml,
4在常溫下攪拌得到透明的摻雜改性二氧化鈦前驅溶膠，將此溶膠陳化1 M小時備用。將負載有聚苯乙烯微球膠晶模板的導電玻璃基底浸入二氧化鈦前軀體溶膠中靜置1 5分鐘后提拉出，于烘箱中30°C干燥1小時，將所得樣品在500°C下煅燒2小時，自然冷卻到室溫， 制備出有序多孔納米二氧化鈦薄膜。有序多孔納米二氧化鈦薄膜的具體實施例見表1。表 權利要求
1.一種應用于染料敏化太陽能電池的復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜，其特征在于所述的薄膜具有聚苯乙烯微球陣列模板煅燒后留下的有序多孔結構。
2.一種復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜的制備方法，具有如下步驟(1)制備聚苯乙烯微球乳液及組裝聚苯乙烯微球膠晶模板將苯乙烯倒入分液漏斗中，依次用0. IM的NaOH溶液及二次去離子水洗滌四次，除去阻聚物；在IOOmL的四頸燒瓶中加入40mL 二次去離子水及十二烷基苯磺酸鈉(0. 005 0. 015g)，攪拌溶解，水浴加熱到78°C后通入氮氣，再加入NaHCO3 (0. 01 0. 05g)及IOmL洗滌好的苯乙烯單體；繼續加熱回流攪拌1小時，將K2S2O8 (0. 05 0. 2g)溶于IOmL 二次去離子水后滴加到燒瓶中，控制溫度在(78士幻°C，加熱回流攪拌反應8 M小時后停止反應， 制得粒徑均勻的聚苯乙烯微球乳液。以FTO導電玻璃為基底，依次用異丙醇、丙酮、二次去離子水和無水乙醇超聲清洗30分鐘，干燥后垂直浸入聚苯乙烯微球乳液，靜置1 5分鐘后以1 lOcm/min的速度將基底垂直提拉出，在45°C下干燥30分鐘后制備出聚苯乙烯微球膠晶模板。(2)制備摻雜改性前軀體溶膠將鈦酸丁酯(5 IOml)和稀土氧化物的硝酸溶液溶于無水乙醇(1 15ml)中，摻雜比例為(O. 5% )，完全溶解后滴加無水乙醇(5 20ml)和冰醋酸(O. 5 3ml)，攪拌 2小時，再滴加硝酸(0. 1 1ml)，在常溫下攪拌即可得到透明的摻雜改性二氧化鈦前驅溶膠，將此溶膠陳化12小時備用。(3)浸漬提拉法制備復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜將負載有聚苯乙烯微球膠晶模板的導電玻璃基底浸入摻雜改性的二氧化鈦前軀體溶膠中，靜置1 5分鐘后將填充有摻雜改性二氧化鈦前驅溶膠的導電玻璃基底提拉出，于烘箱中30°C干燥1小時，將所得樣品在500°C下煅燒2小時，自然冷卻到室溫，制備出摻雜改性復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜。
3.根據權利要求2所述的制備方法，其特征在于步驟(3)中所述的復合納米二氧化鈦薄膜為稀土元素摻雜改性有序多孔薄膜。
4.權利要求2中摻雜改性復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜在染料敏化太陽能電池中的應用。
全文摘要
本發明公開了一種復合有序多孔納米二氧化鈦(TiO2)薄膜的制備方法，步驟依次為合成聚苯乙烯微球乳液及組裝聚苯乙烯微球膠晶模板；制備摻雜改性前軀體溶膠；浸漬提拉法制備復合有序多孔納米二氧化鈦薄膜。本發明提供了一種通過溶膠凝膠法，采用聚苯乙烯(PS)膠晶模板制備的，摻雜改性、結構有序、高比表面積的銳鈦礦相復合多孔TiO2薄膜，應用于染料敏化太陽能電池(DSSC)。
文檔編號H01L51/48GK102486967SQ201010573398
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月6日 優先權日2010年12月6日
發明者周藝, 朱志平, 李宏 申請人:長沙理工大學