[发明专利]一种制备TiO2/ZnO复合有序多孔薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于有序多孔薄膜制备技术领域，具体为一种制备TiO₂/ZnO复合有序多孔薄膜的方法和相关工艺参数。

背景技术

随着地球上物质资源的不断减少和环境的日益恶化，能源问题越来越成为人们关注的焦点。解决这一问题的关键就是研究新能源和新能源材料，近些年，美国、日本、瑞士、加拿大等国家都开展了新型能源材料的研究，我国“十二五”和“863”计划等已将新能源研究作为重点研究项目资助。太阳能作为一种洁净的新能源，资源丰富，其开发和利用已成为人们关注的焦点。利用太阳能最重要的途径之一就是研究与应用太阳能电池，特别是将太阳能发电与建筑材料相结合使得未来的大型建筑实现电力自给，是未来建筑的一大发展方向。如西班牙政府于2006年11月13日宣布出台建筑节能新标准，规定今后国内所有新修建筑和翻新建筑都必须安装太阳能电池板，以促进节能增效。

目前，太阳能电池按材料不同可分为硅太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电池、纳米晶太阳能电池等。其中硅太阳能电池的转化效率比较高，但是价格比较昂贵；无机化合物薄膜太阳能电池涉及一些重金属及稀有金属；有机太阳能电池的寿命较短。NPC电池即纳米晶太阳能电池，又称Gr／tzel型电池或敏化太阳能电池，是1991年后继硅电池、薄膜电池等后发展起来的又一新型太阳能电池。具有结构简单、重量轻、原料廉价、制造成本低等优点，其制作成本仅为硅电池的1/5～1/10，因而一经问世便在世界范围受到了人们的广泛关注，其后围绕提高电池光电转化效率科学家们进行了大量实验。到目前为止，国外TiO₂纳米晶太阳能电池的转化效率能够稳定在12％以上，并已形成生产能力，开始应用于太阳能发电，显示出良好的应用发展前景。国内这几年也相继开展了这方面的研究工作，虽取得了一定成绩，但整体上与国外仍存在差距。作为染料敏化剂吸附体和光电转换基础的光阳极薄膜是NPC太阳能电池的三大主要组成部分之一及核心材料。已有研究结果表明，其结构和性能将直接影响电池最终的光电转化效率。为了利于染料敏化剂的吸附，提高太阳光利用率，需该电极膜呈多孔结构、具有高的比表面积；同时薄膜缺陷应少，利于光生电子的传输。

TiO₂多孔薄膜比表面积一般高达80m²/g，能够吸附大量的敏化剂。更重要的是，吸附在薄膜中的敏化剂和TiO₂表面形成C-O-Ti键，这大大促进了染料中激发的电子向TiO₂薄膜的转移，使得量子效率接近于100％，成为染料敏化纳米晶光伏太阳能电池的首选光阳极材料。然而，传统的TiO₂无序多孔电极膜缺陷较多，光生电子-空穴易于复合。此外，TiO₂禁带宽度为3.2eV，仅能吸收占太阳光谱4～5％的紫外光，大大降低了太阳光的利用率。对TiO₂等宽禁带半导体进行能带调变是实现其可见光响应的有效策略之一。调变能级结构可以通过以下几种策略：掺杂过渡金属阳离子以形成新的给体或供体能级；掺杂电负性比O低的元素如C、N、S、P等提高价带电位；用宽窄带隙的半导体形成固溶体来降低禁带宽度等。

综上，目前TiO₂作为NPC电池的光阳极材料存在的主要问题是：如何降低TiO₂的禁带宽度，提高其可见光响应；并减少薄膜的缺陷，进而降低光生电子-空穴的复合。本发明针对上述问题，以改善NPC太阳能电池的光伏性能为最终目的，采用溶胶浸渍模板法制备高质量的NPC电池用有序多孔TiO₂/ZnO复合电极膜，利用有序孔结构降低电极缺陷，增大比表面积；同时利用ZnO宽带隙半导体与TiO₂形成固溶体，降低禁带宽度，提高可见光响应。

发明内容

本发明的目的在于提出一种TiO₂/ZnO复合有序多孔薄膜的制备方法和相关工艺参数。

一种适合制备TiO₂/ZnO复合有序多孔薄膜的方法。该方法为溶胶浸渍模板法。首先，在洁净的玻璃基片上通过浸渍-提拉法组装了有序的聚苯乙烯微球(PS)阵列模板；然后将PS模板再垂直浸渍到由TiO₂和ZnO组成的混合溶胶中，在毛细管力的作用下溶胶进入到微球的间隙中形成凝胶，最后经煅烧除去PS模板而得到多孔TiO₂/ZnO复合有序多孔薄膜。