[发明专利]一种过渡金属掺杂式α-Fe2O3纳米棒阵列的制备方法

说明书

技术领域：

本发明属于电池材料技术领域，涉及一种过渡金属掺杂式α-Fe₂O₃纳米棒阵列的制备方法。

背景技术：

随着全球性能源危机日益严重，人们迫切开发需要新能源材料和利用新能源，太阳能作为一种取之不尽、清洁安全的天然能源，日益受到世界各国的关注。染料敏化太阳能电池与传统单晶硅太阳能电池相比，以成本低、工艺简单及性能稳定的优点，成为国内外竞相研究的热点。为了提高电池的光电转化效率，研究人员不断改进电池的敏化剂、电解质和半导体光阳极材料，其中，选择合适的半导体光阳极材料是提高太阳能电池的光电转化效率的重要途径；早在1991年，瑞士洛桑高等工业学校Michael 研究小组开发了一种染料敏化太阳能电池(Dye sensitized solar cell，简称DSSC)，在以多孔TiO₂薄膜为光阳极的研究工作上取得了突破性进展，在《Nature》(1991，353：737～740)上发表了题为“A Low-cost，High-efficiency Solar-cell Based on Dye-sensitized Colloidal TiO₂Films”的研究文章，但因为TiO₂半导体自身存在无法突破的瓶颈，如带隙较宽(3.2eV)等，在一定程度上降低了DSSC的光电转化效率，制约了TiO₂基DSSC的工业化进程。

目前，由于氧化铁材料具有无毒无污染，成本低廉，资源丰富，生物相容性、环境友好性、稳定性、催化性以及磁性等优势特点，越来越广地被泛应用于生物医学、颜料、催化、气敏、传感以及半导体等领域。近年来，随着薄膜制备技术的发展和对能源问题的日益重视，Michael 等研究发现氧化铁薄膜禁带宽度为1.5～1.7eV，接近太阳能电池的最佳禁带宽度，其吸收系数大，使得其在AM 1.5条件下理论上能吸收约40％的太阳光，大大超出其它宽禁带半导体如TiO₂，因此越来越多的国内外学者把研究目光聚集在氧化铁薄膜的光电特性上，有望在其光伏转换以及太阳能电池中得到应用。然而，α-Fe₂O₃作为光阳极的电池效率仍然很低的原因在于室温下空穴运动速率低(约0.01cm²·V^-1·s^-1)，所产生的载流子扩散路径短(约2～4nm)，载流子存在的寿命非常短(～10^-12s)，故电池光电转换效率低。为了克服上述不足并提高半导体光阳极对太阳光的利用，目前报道的方法主要有氧化铁纳米结构形貌设计、掺杂离子表面化学改性和半导体复合其他氧化物薄膜等方法，但现有的这些技术方法又普遍存在着许多不足和缺点。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种过渡金属掺杂式α-Fe₂O₃纳米棒阵列的制备方法，以氧化铁纳米棒为基底提高半导体光阳极传输光生电子的效率，进而提高开路电压，减少光生电子和空穴的复合几率，拓宽光阳极对可见光的响应，提高太阳光利用效率，实现太阳能电池光电转化效率的提高。

为了实现上述目的，本发明以氧化铁纳米棒的纳米一维结构、高长径比和高密度定向排列，采用过渡金属掺杂的技术改变其物理性能，更好更快地传导光激发产生的载流子，提高电荷传输速率，能有效降低光生电荷的复合，有利于增强纳米结构α-Fe₂O₃的光电化学性能，进而提高光电转换效率；以氧化铁纳米棒为基底材料掺杂过渡金属离子Sn⁴⁺、Sn²⁺、Ti⁴⁺、Cu²⁺、Cu⁺和Zn²⁺等得到低能隙纳米半导体光阳极薄膜，并将其应用在DSSC领域。

本发明包括以下步骤：

(1)基底预处理：将选用的基底用丙酮、无水乙醇和去离子水依次分别进行超声波清洗10～30min进行基底预处理，其基底材料包括玻璃、FTO、PET、硅片、钛、铜和锌；

(2)配制明胶溶液：由0.1～0.4mol/L FeCl₃.6H₂O，3～5wt％的聚乙烯醇(PVA)水溶液和0.1～0.5wt％的HCl溶液混合得明胶溶液；