[发明专利]碘掺杂钛基薄膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于二氧化钛薄膜材料制备技术领域，具体涉及用做染料敏化太阳能电池光阳极的碘掺杂的二氧化钛薄膜及其制备方法。

背景技术

随着人类对能源需求的飞速增长，能源危机和环境污染成为急待解决的严重问题。与其它能源相比，太阳能具有高效、环保、廉价和可再生的优势。太阳能电池作为一种开发利用太阳能的重要方式而备受人们关注。

近几年来，染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究获得了重大的进展，而如何提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率是目前研究的重点之一。染料敏化太阳能电池主要是由光诱导电荷分离来实现光电转换，因而开发同时具备高比表面积和高光电吸收效率的半导体氧化物薄膜电极材料是提高电池光电转换效率的关键因素和发展趋势。采用高比表面积的纳米晶多孔二氧化钛(TiO₂)薄膜作为光阳极，性能稳定，制备工艺简单，成本大大低于传统硅电池，具有良好的发展前景。

但是，常用二氧化钛材料的禁带宽度为3.2eV，仅能吸收利用太阳光中波长小于380nm的紫外光，也就是只能利用到达地面的太阳光能的3～4％，因此激发波长的限制成为了严重制约应用效率的一个瓶颈，如何缩短二氧化钛的禁带宽度使其吸收光谱向可见光区扩展，充分利用太阳能成为解决问题的关键。近年来用非金属改性二氧化钛，在半导体禁带内嵌入和提供激发电子的能带，使其吸光范围向可见光波长范围扩展是研究的热点。早在1986年Sato等(Sato S.，Chem.Phys.Lett.，1986，123，126)就发现N的引入，可使TiO₂具有可见光活性，但是一直没有引起人们的重视，直到2001年Asahi等(Asahi R.，Morikawa T.，Ohwaki T.et al，Science，2001，293，269)在《科学》杂志上报道了N替代少量的晶格氧可以使TiO₂的带隙变窄，在不降低紫外光下活性的同时，使TiO₂具有可见光活性。Yu等(Yu J.C.，Yu J.，Ho W.，et al，Chem.Mater.，2002，14，3808)采用四异丙氧基钛在NH₄F水溶液中水解的方法制备了F掺杂TiO₂纳米晶催化剂。Irie等(Irie H.，Watanabe Y.，Hashimoto K.，Chem.Lett.，2003，32，772)通过加热氧化TiC粉末的方法制备了C掺杂的锐钛矿型TiO₂粉末。Umebayashi等(Umebayashi T.，Yamaki T.，Itoh H.，et al，Appl.Phys.Lett.，2002，81，454)采用了氧化加热TiS₂的方法制备了S掺杂的TiO₂粉末。Luo等(Luo H.，Takata T.，Lee Y.，et al，Chem.Mater.，2004，16，846)采用水热合成的方法，以TiCl₄作为钛源，在氢溴酸和乙醇混合溶液中合成Br和Cl共掺杂的TiO₂。

碘作为一种新颖有效的非金属掺杂元素也被尝试着应用于半导体材料改性领域。如，Tanaka等(Tanaka T.，Hayashida K.，Nishio M.，et al，J.Appl.Phys.，2003，93，5302)研究发现，用I掺杂ZnTe材料后，其光化学性发生了显著变化，这就意味着I能够有效改善半导体材料的某些应用性能。Hong等(Hong X.T.，Wang Z.P.，Cai W.M.et al，Chem.Mater.，2005，17，1548)通过水解法制备了碘修饰的TiO₂催化剂，并且已证实掺杂后的TiO₂表现出了显著的可见光响应。然而，目前对于非金属元素掺杂TiO₂的研究大部分集中于光催化领域；同时，通过查阅国内外相关期刊文献以及专利资料发现当前应用非金属元素掺杂的思路制备可见光响应型TiO₂薄膜，大都集中在N、C掺杂，I掺杂TiO₂材料虽然已被证实在紫外光和可见光下都表现出了优越的光学性能，但却始终没有被合理有效地引入可见光响应型薄膜材料制备及应用领域，在太阳能电池的应用上更是形成了一个空缺。

发明内容

本发明的目的在于提供具有可见光活性的碘掺杂钛基薄膜及其制备方法。