[发明专利]一种高取向单晶二氧化钛纳米线阵列薄膜的低温制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体纳米线阵列薄膜的低温制备方法，具体涉及一种透明导电玻璃表面高取向单晶二氧化钛纳米线阵列薄膜的低温制备方法，适用于太阳能电池中的光电极。

背景技术

随着全球范围内能源和环境问题的日益严峻，急需要开发一种既容易获取又清洁环保的新能源，太阳能正是这样一种新型能源。开发利用太阳能的形式多种多样，太阳能电池是其中的一种主要形式。传统的太阳能电池主要由硅基半导体材料制备，这类电池的光电转换效率高(可达18％左右)，但是对材料的纯度要求非常高，材料制备工艺复杂、成本很高，仅局限于航空、航天以及军事等国防领域使用。为了实现太阳能电池的推广使用，急需要开发一种制造成本低、转换效率高的太阳能电池。

新型的敏化二氧化钛纳米晶半导体氧化物太阳能电池，以其低廉的制造成本和优异的光电性能受到广泛关注。这种电池是以表面吸附敏化剂的、尺寸20纳米左右的二氧化钛纳米颗粒薄膜为光电极，在光照下，敏化剂吸收光子转化为电子激发态产生光生电子，光生电子快速由敏化剂的激发态注入半导体的导带，进而穿过纳米半导体网络转移至外电路形成光电流。光生电子在穿过纳米半导体网络过程中必然会遇到大量晶界，引起电子的散射损耗，影响器件性能。

为此，需要优化光电极结构，提高光生电子的传输速度。无疑一维纳米结构阵列可以直接为光生电子的传输提供直接通道，提高电子的传输速度，是新型太阳能电池光电极的一种理想结构形式。一维二氧化钛纳米结构阵列薄膜主要有纳米管阵列和纳米线阵列薄膜两种形式。目前，一维二氧化钛纳米管阵列薄膜主要通过电化学阳极氧化钛片或沉积在透明导电玻璃表面的钛膜制备，所得纳米管阵列薄膜一方面呈现非晶态，需要高温晶化处理，另一方面，由于钛片本身不透光，影响光照方式，或者很难沉积高质量的厚度超过微米级的钛膜，使得合成纳米管的长度受到限制。一维二氧化钛纳米线阵列薄膜主要通过各种气相沉积方法制备，设备复杂、成本较高，合成温度偏高，不利于大规模生产。

发明内容

本发明旨在提供一种基于低温非均相溶剂热技术结合界面化学反应，能够直接在透明导电玻璃表面大面积沉积形成高取向单晶二氧化钛纳米线阵列薄膜的低温制备方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：1)首先，将丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗的掺氟氧化锡导电玻璃晾干并放入不锈钢压力釜的聚四氟乙烯内衬中，按(10-20)∶(0.5-1.5)∶(0.5-1.5)的体积比将甲苯、钛酸丁酯和浓盐酸混合后加入到不锈钢压力釜的聚四氟乙烯内衬中，密封压力釜；2)其次，将密封好的压力釜转移到恒温设备中，在160-200℃的恒温条件下，保温1-20个小时，进行溶剂热反应，反应结束后自然冷却至室温；3)然后，打开压力釜盖，取出掺氟氧化锡导电玻璃并除去表面残余的未反应物，室温干燥得到直接沉积在掺氟氧化锡导电玻璃表面的TiO₂纳米线阵列薄膜；4)最后，将沉积有TiO₂纳米线阵列薄膜的掺氟氧化锡导电玻璃置于60-70℃的浓度为0.05摩尔每升的TiCl₄溶液中30分钟，取出后用去离子水充分冲洗干净，在450℃下保温30min，即得到垂直于掺氟氧化锡导电玻璃表面的、单晶金红石二氧化钛纳米线阵列薄膜。

本发明的浓盐酸的浓度为36％-38％；所述步骤3)中除去掺氟氧化锡导电玻璃表面残余物是用无水乙醇、异丙醇充分冲洗掺氟氧化锡导电玻璃或采用超声浴除去掺氟氧化锡导电玻璃表面残余物。

本发明采用低温非均相溶剂热技术，在非极性溶剂与亲水性的基底表面，通过可控界面化学反应直接在基底表面制备垂直基底的、高度结晶的二氧化钛纳米线阵列薄膜。这种薄膜沉积方法原料成本低、工艺简单、重复性好、反应温度低、易于大面积成膜，产物高度取向、结晶好、微观尺寸易控，生长薄膜的基底高透过，是直接制备太阳能电池光电极的一种理想途径。作为光电极使用，该纳米线阵列薄膜结构为光生电子的径向传输提供直接通道，有利于提高电子的传输速度同时降低电子的复合损失，也是组装其它纳米光电器件的一种很好的选择。

附图说明

图1本发明实施例4制备的二氧化钛纳米线阵列薄膜的俯视图；图2本发明实施例3制备的二氧化钛纳米线阵列薄膜的正视图；图3本发明实施例3制备的二氧化钛纳米线阵列薄膜的X射线衍射图；图4是本发明实施例4制备的N719染料敏化二氧化钛纳米线阵列薄膜太阳能电池的IPCE图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。