[发明专利]掺杂非金属的染料敏化TiO2纳晶薄膜光电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池的TiO₂纳晶薄膜光电极的制备技术领域，特别涉及由含有掺杂非金属的大颗粒TiO₂纳晶和掺杂非金属的TiO₂纳晶颗粒的胶体制备掺杂非金属的染料敏化TiO₂纳晶薄膜光电极的方法。

背景技术

作为最理想能源的太阳能电池利用技术近年来已经被越来越多的国家重视和利用，然而，他们仍未被广泛使用，其原因包括由于在现阶段太阳能电池自身性能难于与传统化石能源发电技术相媲美；硅太阳能电池制造本身是一个能耗极大的产业。近年来，一种染料敏化型太阳能电池以其制作工艺简单，成本控制极低，转换效率不受理论限制等诸多优势引起研究者的注意。Graetzel(瑞士)等在1991年开发了一种新型的使用光电转换器件的太阳能电池。其包括：用作电极的薄膜基板、该薄膜基板对位于透明导电基板上的染料敏化并由氧化物半导体微粒组成、由对电极组成的基板，该对电极被含有还原剂(例如铂)并被设置成使得与薄膜基板面对、置于薄膜基板和该对电极组成的基板之间的电荷迁移层(含有氧化还原物质的电解质)。这里，吸附钌配合染料于多孔二氧化钛电极使得该光电电池具有与硅太阳能电池相近的性能(J.Am.Chem.Soc.115(1993)6382)。

在染料敏化太阳能电池中，一方面，纳米尺度的TiO₂半导体由于具有合适的禁带宽度、耐光腐蚀性能好、光电转换效率高等特点而于近年来得到了广泛应用。染料敏化TiO₂纳晶薄膜由TiO₂纳晶颗粒互相连接形成多孔网络状结构，这种结构既提供了电子输运通道，又提供了供染料吸附的大比表面积，而且薄膜本身能吸收紫外区区域的光。吸附在纳晶薄膜表面的光敏分子染料吸收光能是染料敏化太阳能电池光电转换效率的提前，提高光吸收效率是提高电池光电转换效率的一个重要关键。另一方面，经TiO₂纳晶多孔薄膜电极以进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率也开始成为人们的研究热点。染料敏化太阳能电池中，敏化分子染料受光激发产生电子，光生电子注入到TiO₂导带中，然后由导带通过外电路传输从而形成光电流；在此过程中保证电子在纳晶薄膜内的高速传输是影响光电转换效率至关重要的因素。

掺杂非金属的TiO₂纳晶颗粒一方面可以改变半导体的性能，使掺杂后的TiO₂吸收光的范围扩充到可见光区域，作为施主提供更多的载流子进而提高导电率；另一方面可以改变TiO₂能带的位置进而提高光电压和光吸收效率。目前文献报导中的非金属掺杂广泛应用在光催化领域，但是还未曾有人应用到太阳能电池领域。因此本发明的首要出发点是采用非金属掺杂的TiO₂纳晶颗粒的胶体制备纳晶薄膜电极，在此基础上再添加非金属掺杂的大颗粒TiO₂来增加纳晶薄膜的光吸收性能，从而提高TiO₂纳晶薄膜电极的吸光效率，进而提高光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于用溶胶-凝胶法(sol-gel法)和沉淀法分别制备了掺杂非金属的TiO₂纳晶溶胶和粉体。将其应用到染料敏化太阳能体系中，从而提供一种非金属掺杂的染料敏化TiO₂纳晶薄膜光电极的制备方法。

在本发明中，把非金属元素掺入到半导体化合物TiO₂的晶格中，使得掺杂后TiO₂的能带位置发生变化，能隙明显变小，纳晶TiO₂制备的薄膜本身吸收光的范围扩充到可见光区域，从而提高了光电压和吸光效率，进而提高了光电转换效率。

本发明掺杂非金属的染料敏化TiO₂纳晶薄膜光电极的制备方法包括以下步骤：

(1)将钛盐于溶剂混合配置成钛盐溶液，将非金属掺杂剂和溶剂混合后配置成掺杂剂溶液；然后将钛盐溶液与非金属掺杂剂溶液混合，在溶液中进行水解反应，其中，混合液中Ti原子与掺杂非金属元素原子数目比为5∶1-1∶1，优选为2∶1。反应后的溶胶在常温下放置5小时-48小时，优选为24小时。得到摩尔浓度为0.5M-2M透明稳定的非金属掺杂的TiO₂溶胶；