[发明专利]一种一维金红石TiO2纳米棒阵列膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池光阳极材料，尤其是涉及一种一维金红石TiO₂纳米棒阵列膜的制备方法。

背景技术

20世纪90年代初，瑞士洛桑联邦理工学院的教授等(B.O’Regan and M.Gratzel，Nature(London)，1991，353，737)报道了基于介孔TiO₂纳米颗粒膜光阳极的染料敏化太阳能电池，其光电转换效率达到7％以上。他们的开创性工作吸引了大量的科研工作者投身到低成本、制备工艺简单的第三代太阳能电池中来。目前，染料敏化太阳能电池的效率最高已经达到了10.4％以上(Chiba Y.，Islam A.，Kakutani K.，Komiya R.，Koide N.，Han L.，Technical Digest，15^th International Photovoltaic Science and Engineering Conference，Shanghai，October，2005，665-666)。虽然当前基于介孔TiO₂纳米颗粒膜光阳极的染料敏化太阳能电池的效率仍然是最高的，但是由于TiO₂纳米颗粒膜的无序性，导致电子在膜层中的传输效率低，光生电子-空穴的复合严重，这限制了电池效率的进一步提高。近年来，人们开始探索一维(1-D)高度有序的半导体纳米材料作为染料敏化太阳能电池的光阳极材料。研究表明一维阵列结构半导体光阳极材料具有比TiO₂纳米颗粒更高的电子传输效率(Law，M.，L.E.Greene，et al.(2005).，Nature Materials 4(6)：455-459)。最近有文献报道了在导电玻璃上通过水热法制备一维高度有序的金红石TiO₂纳米棒阵列膜(Journal of the American Chemical Society，2009，vol.131，No 11，3985；Nano Letter，2008，vol.8，No.11，3781；Journal of Physical Chemistry C 114(17)：7787)，但是在光阳极的应用中，由于TiO₂纳米棒阵列膜的比表面积仍然较小，导致电池效率不高。Pan Hao等人(Applied Surface Science，2011，vol.257，No.11，5059)报道了用化学法刻蚀TiO₂纳米棒阵列以提高膜层的比表面积，但是由于其刻蚀时间长，刻蚀后膜层厚度急剧减少，所以对光阳极纳米材料的比表面积提高有限，应用在染料敏化太阳能电池中的效率也仅达到2.67％。如何有效地提高一维TiO₂纳米棒阵列膜的比表面积成了一大挑战，而这一问题的解决对制备高性能的染料敏化太阳能电池具有重要意义。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种具有高比表面积、可有效提高染料敏化太阳能电池效率的一维金红石TiO₂纳米棒阵列膜的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)清洗导电玻璃；

2)水热法制备金红石TiO₂纳米棒阵列膜

将去离子水、盐酸和TiCl₄混合后配制成水热溶液，再将导电玻璃放入水热溶液中利用水热法在导电玻璃表面制备一层金红石TiO₂纳米棒阵列膜，水热反应结束后，取出水热釜在空气中冷却至室温，然后取出长有TiO₂纳米棒阵列膜的导电玻璃基底，冲洗后，晾干；

3)化学刻蚀法制备TiO₂纳米棒阵列膜

以去离子水和盐酸的混合溶液作为刻蚀溶液，将步骤2)中得到的金红石TiO₂纳米棒阵列膜放入装有所述刻蚀溶液的水热釜中刻蚀，得到TiO₂纳米棒阵列膜；

4)TiO₂纳米棒阵列膜退火处理

将步骤3)得到的TiO₂纳米棒阵列膜在马弗炉中进行退火处理，当马弗炉温度降至80℃以下后取出样品，即得到一维金红石TiO₂纳米棒阵列膜。

在步骤1)中，所述清洗导电玻璃的具体方法可采用：将导电玻璃依次放入丙酮、无水乙醇、去离子水中经超声清洗10～15min，晾干。