[发明专利]钨掺杂的纳米晶二氧化钛半导体薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于光电化学和光伏技术领域，具体涉及一种钨掺杂的纳米晶二氧化钛薄膜及其制备方法与应用。

背景技术

染料敏化太阳电池是最近二十几年发展起来的一种基于植物叶绿素光合作用原理研制出的太阳电池。这种电池通过借助染料吸附到半导体表面上，利用染料对可见光的强吸收，可以将半导体的光谱响应拓宽到可见区，从而得到理想的光电转化效率。目前，染料敏化太阳能电池的最高光电转化效率己能稳定在10 %以上，寿命能达到10~20年，且其制造成本仅为硅太阳能电池的1/5~1/10，是目前新材料中研究最充分、最成熟、最接近产业化状态的太阳能电池。然而染料敏化太阳电池的最高效率在1993年就已经达到10 %，到最近也只是提高到了12 %，因此进一步提高染料敏化太阳电池的效率具有重要意义。

到目前为止，锐钛矿型的纳米晶二氧化钛是性能最好的染料敏化太阳电池的半导体电极材料。因此很多研究集中在如何提高其性能以提高电池总体的光电转化效率，其中金属掺杂是一种很有前途的方法。通过掺杂可以将异质金属原子取代钛原子，从而改变二氧化钛的能带结构。研究发现，通过掺入金属锌、铝、锆、钕可以显著改善纳米晶二氧化钛膜的注入、转移效率和传输性能。纳米晶二氧化钛中的电荷复合是一种重要的破坏电池性能的机制，然而很少有研究发现金属掺杂可以有效抑制电荷复合。而对钨掺杂纳米晶二氧化钛在染料敏化太阳电池中应用的研究更少，并且没有发现钨掺杂可以调控二氧化钛的导带能级，抑制电荷复合，显著改善电池性能这些功能。本发明通过将钨掺杂到二氧化钛中，不同的掺杂浓度可以微调二氧化钛的导带能级，从而与染料的激发态能级更好的匹配，显著提高了染料敏化太阳电池的性能，并且在低掺杂浓度下发现有良好的抑制电荷复合的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能显著提高染料敏化太阳电池性能的钨掺杂纳米晶二氧化钛半导体薄膜及其制备方法与应用。

本发明提供的钨掺杂纳米晶二氧化钛半导体薄膜，其中，钨、钛含量质量比为：0 < W/Ti < 25%，优选1% < W/Ti < 20%；纳米晶粒径范围为5-50 nm，该类薄膜材料厚度为2-20 μm，为无色透明或白色薄膜。

本发明提供的钨掺杂纳米晶二氧化钛膜的制备方法，具体步骤为：

1. 钨酸溶胶的配制：

在烧杯中称取钨酸钠并加入去离子水中，配制成摩尔溶度为0-2.5 M的溶液，溶液无色透明，用玻璃滴管连通氮气，插入烧杯底部，用氮气吹不少于1分钟，然后向溶液中滴加等摩尔的盐酸，产生白色沉淀，并逐渐转变为黄色沉淀，再通氮气吹不少于1分钟。将悬浊液进行过滤，用已知溶度的硝酸银溶液对滤液进行滴定，直到滤液中完全没有白色沉淀产生。在过滤的产物加入去离子水，室温下用磁力搅拌器充分搅拌，得浓度为0-2.5 M的钨酸溶胶。钨酸溶胶的浓度优选为0.01-2.5 M。

2. 钨掺杂纳米晶二氧化钛膜的制备

将异丙氧钛逐滴滴加到去离子水中，并在室温条件下搅拌反应不少于1小时，充分生成白色沉淀，将白色沉淀进行过滤，得到二氧化钛沉淀，将该沉淀转移到反应瓶中，滴加等当量的四甲基氢氧化铵水溶液，再加入步骤1制备的钨酸溶液，最后加入去离子水定容。在100-150℃油浴中强力搅拌反应1-5小时，自然冷却到室温，将反应完成后得到的白色胶体转移至高压釜内并定容，在150-300 ℃的条件下水热处理6-24小时。自然冷却后取出并进行超声处理，得到乳白色的二氧化钛溶胶，并通过旋转成膜或提拉成膜方法在清洗干净的导电玻璃上形成一层溶胶薄膜。将干燥后的薄膜放入马弗炉，温度升温至450-550 ℃，恒温0.5-10小时，自然冷却到室温，即得到钨掺杂的纳米晶二氧化钛薄膜。薄膜中的纳米晶形态及粒径通过X射线衍射仪及场发射透电镜表征。

本发明还提供上述钨掺杂纳米晶二氧化钛薄膜在染料敏化太阳电池中的应用，即将本发明制备的钨掺杂纳米晶二氧化钛膜按照标准方法组装染料敏化太阳电池，在AM1.5模拟太阳光下测得染料敏化太阳电池的各性能参数。钨掺杂显著提高了电子注入效率和短路光电流，提高了纳米晶二氧化钛中的电子复合寿命，有效的抑制了纳米晶二氧化钛膜中的电子复合。相比于未掺杂钨的纳米晶二氧化钛膜制备的染料敏化太阳能电池，掺钨的纳米晶二氧化钛膜制备的染料敏化太阳能电池的短路光电流和光电转化效率等性能有大幅度的提高。