[发明专利]复合有序多孔纳米二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于太阳能光电利用领域中的染料敏化太阳能电池技术，具体涉及一种染料敏化太阳能电池的纳米复合有序多孔电极的制备方法。

背景技术

随着经济和社会的不断发展，能源危机和环境污染已经成为全人类生存与发展面临的严重挑战。染料敏化太阳能电池(DSSC)因其光电转换效率高、成本低、工艺简单等优点已经成为当前重要研究方向，其中以多孔二氧化钛(TiO₂)纳米晶薄膜为基础的DSSC已获得了11％的光电转换效率。

染料敏化太阳能电池的核心部分是纳米晶薄膜，国内外普遍采用具有较大比表面积的多孔薄膜以增加染料的吸附量，提高对太阳光的吸收效率。但是多孔薄膜的结构对电池的性能有较大影响，尤其是无序结构中电子空穴复合严重，限于不同制备方法对多孔薄膜结构的影响以及TiO₂较大的禁带宽度，上述技术还有一定的局限性。以模板法制备的有序多孔TiO₂薄膜具有足够大的比表面积，同时可以减少电子的复合而提高光电性能，此外，通过对TiO₂掺杂，改变TiO₂的能级结构，使之更有利于电子转移，抑制电子-空穴复合，提高DSSC电池的光电性能。

发明内容

本发明的目的是：提供一种用于染料敏化太阳电池的新型半导体电极的制备方法。能够实现可见光响应，同时有利于比表面积的增大以及光生电子和空穴的分离，从而提高染料敏化太阳电池的光电转换效率。

本发明所采用的技术方案是：一种染料敏化太阳能电池半导体电极，其特征在于所述的电极是采用稀土掺杂改性与有序多孔结构薄膜相结合来制备的。

本发明制备的稀土掺杂改性的有序多孔半导体电极的方法包括以下步骤：

1.制备聚苯乙烯微球乳液及组装聚苯乙烯微球胶晶模板

将苯乙烯倒入分液漏斗中，依次用0.1M的NaOH溶液及二次去离子水洗涤四次，除去阻聚物；在100mL的四颈烧瓶中加入40mL二次去离子水及十二烷基苯磺酸钠(0.005～0.015g)，搅拌溶解，水浴加热到78℃后通入氮气，再加入NaHCO₃(0.01～0.05g)及10mL洗涤好的苯乙烯单体；继续加热回流搅拌1小时，将K₂S₂O₈(0.05～0.2g)溶于10mL二次去离子水后滴加到烧瓶中，控制温度在(78±2)℃，加热回流搅拌反应8～24小时后停止反应，制得粒径均匀的聚苯乙烯微球乳液。

以导电玻璃为基底，依次用异丙醇、丙酮、二次去离子水和无水乙醇超声清洗30分钟，干燥后垂直浸入聚苯乙烯微球乳液，静置1～5分钟后以1～10cm/min的速度将基底垂直提拉出，在45℃下干燥30分钟后制备出聚苯乙烯微球胶晶模板。

其中导电基片采用导电FTO玻璃(掺氟的氧化锡玻璃)或导电ITO玻璃(掺锡的氧化铟玻璃)。

2.制备掺杂改性前躯体溶胶

将钛酸丁酯(5～10ml)和稀土Gd的硝酸溶液溶于无水乙醇(1～15ml)中，稀土的掺杂比例为(0.1％～5％)，完全溶解后滴加无水乙醇(5～20ml)和冰醋酸(0.5～3ml)，搅拌(0.5～2小时)，再滴加硝酸(0.1～1ml)，在常温下搅拌即可得到透明的掺杂改性二氧化钛前驱溶胶，将此溶胶陈化1～24小时备用。

稀土Gd可用其他稀土元素替代。

硝酸的浓度为1.0mol/L。

3.浸渍提拉法制备复合有序多孔纳米二氧化钛薄膜

将负载有聚苯乙烯微球胶晶模板的导电玻璃基底浸入掺杂改性的二氧化钛前躯体溶胶中，静置1～5分钟后将填充有掺杂改性二氧化钛前驱溶胶的导电玻璃基底提拉出，于烘箱中30℃干燥1小时，将所得样品在500℃下煅烧2小时，自然冷却到室温，制备出掺杂改性复合有序多孔纳米二氧化钛薄膜。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：利用PS模板制备的有序多孔二氧化钛薄膜有利于电子空穴对的分离和电子的传输，减少了电子的损失，有利于提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率；有序多孔薄膜具有比较大的比表面积，增加了染料的吸附量，从而提高了对光的利用率。同时经过稀土掺杂改性改变二氧化钛的能级结构，使之更有利于电子转移，抑制电子-空穴复合，从而改善了整个染料敏化太阳能电池的光电转换性能。

附图说明

图1：聚苯乙烯微球胶晶模板组装有序多孔TiO₂薄膜的示意图。

(a)自组装的聚苯乙烯微球胶晶阵列模板；