[发明专利]一种二氧化钛介孔球、制备方法和在太阳能电池中的应用

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池制造技术领域，涉及一种制备氧化钛介孔球的方法，并将这种氧化钛介孔球设计运用于氧化钛复合薄膜光阳极材料，开发具有高光电转化效率的染料敏化太阳能电池。 

背景技术

染料敏化太阳能电池以其低污染、无能耗、可持续、低成本等优异性能正日益受到关注，有望于在不久的将来代替昂贵的硅系太阳能电池取得商业化应用。 

染料敏化二氧化钛太阳能电池单元是一种类似于“三明治”的结构，纳米二氧化钛电极是整个太阳能电池的关键，其决定着染料的吸附及电子的传输，最终影响电池的光电转换效率。传统的制备纳米二氧化钛薄膜的方法一般是以尺寸为5～100纳米的二氧化钛粉体为原料，将其烧结在一起形成一种互相连接的多孔结构薄膜。多孔结构可以提高光电极对染料的吸附，有利于光生电子的传输，从而提高电池的效率。当前，设计具有不同孔结构及孔径分布的大孔或介孔二氧化钛薄膜材料成为本领域的研究热点之一，如文献“OrganizedMesoporous TiO2 Films Exhibiting Greatly Enhanced Performance in Dye-Sensitized Solar”(Nano Letters，2005，5，1789)中报道采用三嵌段共聚物模板制备了二氧化钛溶胶，随后采用浸渍提拉法将其反复涂于导电玻璃表面形成介孔二氧化钛薄膜，组装电池的效率达到4％；文献“Single-and double-layered mesoporous TiO2/P25 TiO2 electrode for dye-sensitizedsolar cell”(Solar Energy Materials & Solar Cells，2005，86，269)中采用有机模板法制备了介孔二氧化钛，比表面积75m²/g，用商用P25与其共混或做成双层电极，当膜厚17μm时，组装电池的效率达到8.1％。但上述两种方法的缺点都在于由于采用模板法合成，导致成本高、过程繁琐，且在热处理模板脱除过程中孔结构难以完整保存。 

发明内容

本发明的目的在于克服传统方法中采用模板法制备二氧化钛介孔球时的繁琐工艺，提供一种简便、廉价的二氧化钛介孔球的无模板合成途径。本发明的方法得到的二氧化钛介孔球具有高的比表面积，能够比普通二氧化钛纳米颗粒吸附更多的染料，同时由于介孔球 尺寸在纳微米级，具有一定光散射效应，有利于提高染料敏化太阳能电池对照射光的吸收效率。 

本发明提出的染料敏化太阳能电池，依次包括光阳极、电解质、对电极三部分，其特征在于：所述的光阳极依次包括与导电基底紧密接触的第一层透明氧化钛膜、及第二层氧化钛介孔球(粒径50～300nm、孔径5-12nm)薄膜，组装得到的染料敏化太阳能电池单元的效率可达9.5％。 

本发明提出的高性能染料敏化太阳能电池，其制备步骤包括： 

1、制备氧化钛介孔球：将钛的醇盐溶于醇类溶剂后，在无任何搅拌的条件下缓慢滴加入硼酸水溶液中，经过24～120小时老化后，过滤得白色沉淀，将白色沉淀洗涤并烘干，再在300～600℃高温下烧结，得到氧化钛介孔球(锐钛相，比表面积90～200m²/g，介孔球直径50～300nm，平均孔径5～12nm)。所述钛的醇盐包括钛酸乙酯、钛酸异丙酯、钛酸正丁酯等多种钛醇盐。醇类溶剂为正丁醇、环己醇、苯甲醇等低水溶性一元醇。硼酸水溶液浓度为0.1摩尔/升至过饱和。 

2、将P25纳米氧化钛(比表面50m²/g，粒径20～30nm)放在研钵中研磨，加入乙酰丙酮的乙醇溶液，研磨0.5～1小时后加入去离子水和曲拉通-100，继续研磨形成溶胶，采用丝网印刷技术印制在导电基底上并形成一层氧化钛薄膜，所述导电基底为透明氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃。将上述印有氧化钛薄膜的导电玻璃在400～500℃下进行热处理。 

3、按照步骤2的方法将步骤1中得到的氧化钛介孔球配制成氧化钛介孔球溶胶，采用丝网印刷技术或者旋转涂敷法在上述导电基底的氧化钛薄膜上涂敷所述氧化钛介孔球溶胶，并形成一层氧化钛介孔球薄膜，从而在导电基底上形成氧化钛薄膜和氧化钛介孔球薄膜的复合薄膜，然后在自然条件下干燥后，400～500℃下热处理，即得到电极薄膜。