[发明专利]染料敏化太阳电池透明导电电极表面致密二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能利用技术领域，尤其涉及染料敏化太阳能电池光阳极薄膜研究领域。

技术背景

纳米TiO₂染料敏化太阳电池(简称为DSSCs)是基于纳米结构半导体和有机染料的新型光电化学电池，具有成本低廉和工艺简单的特点，自其发明以来受到各国研究者的广泛关注。染料敏化太阳电池的工作电极通常由透明导电玻璃、致密TiO₂薄膜、纳米晶多孔TiO₂薄膜构成，其中致密TiO₂薄膜主要起到抑制透明导电电极/电解质界面电子复合的作用，目前主要采用磁控溅射、溶胶-凝胶的方法制备致密TiO₂薄膜。磁控溅射法制备的薄膜具有膜层均匀致密、容易控制膜厚、膜层附着力强等优点，但存在制备成本高昂、设备复杂等不足之处；尽管溶胶-凝胶法具有制备成本低廉的优点，但需要反复多次成膜，程序复杂，不便于大面积、连续化生产，且薄膜均匀性不理想。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种染料敏化太阳电池透明导电电极表面致密二氧化钛薄膜的制备方法。

本发明所说的染料敏化太阳电池透明导电电极表面致密二氧化钛薄膜的制备方法包括如下步骤：

(a)配制二氧化钛溶胶：以钛金属醇盐为钛源，以乙酰丙酮为稳定剂，以乙醇或异丙醇为溶剂，并将三者混合均匀；钛金属醇盐可以为钛酸丁酯或钛酸异丙酯中的一种，钛源的浓度为0.1-1mol/l；乙酰丙酮与钛源的摩尔比在2-20之间；

(b)成膜：采用喷雾热解的方法成膜，喷嘴液体流量在60ml/h-480ml/h之间，喷嘴扫描速率为30-180mm/s，喷嘴通过往复运动扫描增加膜厚；雾滴直径在10μm-100μm之间；

(c)热处理：经过干燥后热处理，热处理可以在400℃-500℃条件下热处理0.5h。

所述钛金属醇盐的浓度一般可以控制在0.1-1mol/l之间，溶液浓度越高，所形成的薄膜越厚，优化的浓度在0.1-0.5mol/l之间。乙酰丙酮与钛源的比例一般在2-20之间，乙酰丙酮与钛源的比例越大，溶胶越稳定，但是如果乙酰丙酮浓度太大，也容易造成气孔，优化的比例在5-6之间。所述喷嘴液体流量一般可在60ml/h-480ml/h之间调节，喷嘴液体流量越大，薄膜的厚度越厚。溶胶流量太大或者溶胶浓度太高时，膜层中的有机物可能来不及挥发、分解和燃烧，容易造成薄膜开裂粉化、或者薄膜部分碳化；此外，流量太大，可能造成玻璃衬底因受热不均而开裂，优化的溶胶流量在100ml/h-150ml/h之间。所说的喷嘴扫描速率一般控制在30mm/s-180mm/s之间，喷嘴扫描速率越高，薄膜越薄，优化的扫描速率在80mm/s-100mm/s之间。所说的雾滴直径一般控制在10μm-100μm之间；喷嘴与衬底的距离在15cm-30cm之间，衬底温度可在150℃-500℃之间。在低温下成膜一般对整个设备的耐高温的要求可以低一些，但是在低温下成膜，薄膜的气孔率会高些，薄膜的致密度稍差，优化的衬底温度在400℃-500℃之间。

在前述优化的溶胶浓度和成膜工艺条件下，当薄膜层数在8层-10层时，可获得厚度在100nm-150nm之间的致密TiO₂薄膜，使染料敏化太阳电池的效率提高7％-10％。

所述的采用喷雾热解方法成膜，还可以采用喷嘴沿齿波轨迹进行二维运动扫描的方式制备大面积薄膜，喷嘴沿X轴方向进行往复运动扫描以增加膜厚，并沿Y轴方向缓慢移动以获得大面积薄膜。喷嘴沿X轴方向的扫描速率为30-180mm/s，喷嘴沿Y轴方向的移动速率在0.5mm/s-4mm/s之间。