[发明专利]一种用于染料敏化太阳能电池的TiO2纳米管阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池光阳极的二氧化钛（TiO₂）纳米管阵列，尤其涉及一种具有三维（3D）结构的Cu掺杂改性TiO₂纳米管阵列及其制备方法。

背景技术

作为第三代太阳能电池的染料敏化太阳能电池，其成本低廉，制作工艺简单，对环境友好，潜在较高光电转换效率等优点，具有十分广阔的应用前景。在染料敏化太阳能电池中，光阳极材料是其核心组成部分，而TiO₂作为一种资源丰富、安全无毒、化学性质稳定的半导体材料，其优异的表面性能、染料吸附能力以及在电荷分离和电子传输等方面表现出的优势使其成为目前研究最为成功的染料敏化半导体材料。染料敏化太阳能电池通常采用TiO₂纳米晶多孔薄膜作为染料吸附和电子传输层。但是由于纳米颗粒边界较多，在传输过程中会使电子的损失较多,影响光电转换效率。相比之下，TiO₂纳米管以其优异的物理和化学性能在染料敏化太阳能电池领域得到了快速发展。然而，由于TiO₂的禁带宽度较宽，约为3.0eV~3.2eV，使得只有小于5%的紫外光区域的太阳光能够被吸收利用，因此，严重制约了其对太阳光的高效吸收。

为了克服TiO₂的这一缺陷使其具有更好的可见光响应性能，各国研究者对此展开了广泛而又深入的研究，其中最为行之有效的方法则是通过掺杂手段来改变其电子和能带结构，如过渡金属元素（如Cr、V和Cu）和非金属元素（如N、S、F和P）等，从而达到降低其吸收带隙并改善其光电化学性能的目的。掺杂金属的TiO₂纳晶颗粒一方面可以改变半导体的性能，作为施主提供更多的载流子进而提高导电率;另一方面可以改变TiO₂能带的位置进而提高光电压。

此外，TiO₂纳米管阵列表面形貌对染料敏化太阳能电池光电转换效率与也有着重要影响，如TiO₂纳米管长度、孔径大小、孔隙率以及比表面积等。在日本，通过高比表面积TiO₂纳米管阵列的构建及其表面p-型染料的吸附，光转换效率已达16%。

TiO₂纳米管的制备方法通常有溶胶-凝胶法、水热法、模板法、电化学阳极氧化法等。在通过化学方法制备TiO₂纳米管以及掺杂改性的TiO₂纳米粉体或纳米管时，其工艺复杂、设备昂贵、可控程度低、且制备出的TiO₂纳米管有序度较低，很难实现均匀、大面积以及可重复使用的TiO₂纳米管阵列。与化学方法相比，电化学阳极氧化法则具有工艺简单、成本低廉、可控程度高并可实现大面积生长等优点，因此，引起了各国研究者的高度关注。

为了克服化学方法合成掺杂改性TiO₂纳米管带来的局限性，也有研究者通过磁控溅射法，在导电玻璃基体上制备出Cu-Ti与Fe-Ti合金薄膜，然后通过电化学阳极氧化生长出Cu掺杂与Fe掺杂改性的Cu-Ti-O与Fe-Ti-O纳米管阵列。但此方法设备昂贵且工艺复杂、薄膜质量难以保证。也有研究者在TiTa、TiMn、TiZrNb等合金片状基体上制备出一维纳米结构的TiO₂纳米管阵列薄膜，然而，通过上述方法制备出的一维纳米结构与掺杂改性的TiO₂纳米管阵列，比表面积相对较小，因此，仍然不利于纳米晶TiO₂半导体对染料敏化剂吸附量的增加和太阳光利用效率的提高。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于染料敏化太阳能电池的TiO₂纳米管阵列及其制备方法，是利用电化学阳极氧化法，直接在CuTi合金丝基体构筑的DNA螺旋结构或筛网结构的基体上制备出具有三维结构、高度有序排列以及较强可见光响应性能的Cu掺杂改性TiO₂纳米管阵列。

解决本发明的技术问题所采用的一种技术方案为：提供一种用于染料敏化太阳能电池的TiO₂纳米管阵列，该TiO₂纳米管阵列具有DNA螺旋状或筛网状的三维纳米结构，该TiO₂纳米管阵列的结构单元为Cu掺杂改性的TiO₂纳米管。

优选地，用于生长Cu掺杂改性的TiO₂纳米管阵列的基体材质为铜钛合金。