[发明专利]原位生长TiO2纳米颗粒/纳米管的染料敏化太阳能电池的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体纳米材料技术以及染料敏化太阳能电池技术领域，尤其是涉及一种原位生长TiO₂纳米颗粒/纳米管的染料敏化太阳能电池的制备方法。

背景技术

近年来，宽禁带半导体纳米功能材料TiO₂由于其独特的物理结构和良好的光电性能，已经被广泛应用于传感器、光电子材料、光催化、电池电极材料以及生物医学材料等众多领域。纳米TiO₂材料不仅具有稳定的化学性质，而且具有优异的光催化活性，能起到降解细菌等生物污垢的作用，更重要的是其在生物体内表现出与生物体良好的相容性，这为其在生物医学方面奠定了良好的基础。TiO₂是一种宽禁带（E_g=3.2eV）的n型半导体材料，具有优越的电子传输性能，尤其是作为一种半导体光催化剂，被广泛应用于环境净化、水分解以及太阳能转换等方面。

良好的光催化性和光电化学特性要求其TiO₂材料的比表面积大，能提供更多的反应附着点、稳定的晶相结构、以及较好的光生电子的分离与传输性能。阳极氧化的TiO₂一般为无定形结构，经过高温退火过程后形成更具催化活性的锐钛矿相结构。尽管锐钛矿相的TiO₂纳米管能表现出较高的电子传输效率和收集效率，但是在同等条件下，其比表面积比纳米颗粒小，这就导致其在制作成染料敏化太阳能电池时，染料吸附量较小，从而光俘获也随之较小，光电能量转换效率只有4%左右。相比较而言，TiO₂的纳米颗粒为光俘获提供了更大的比表面积，但是，电子在无序排列的纳米颗粒间传输路径曲折，导致复合加重。综合上述原因，提出了由锐钛矿相的TiO2NPs（纳米颗粒）和锐钛矿相的TiO₂NTAs（纳米管）构成的TiO₂NPs/NTAs复合结构，这种结构结合了NPs较大比表面积的特性和NTAs更优的电子传输特性，其光电催化性能更强。

目前，文献报道关于TiO₂NPs/NTAs复合结构的制备方法主要有：（1）TiCl₄ 物理修饰；（2）TiO₂NPs填充NTAs；（3）TiO₂NTAs表面涂覆TiO₂粉末；（4）电化学沉积TiO₂NPs。上述方法通常都需要复杂的实验流程和严格的实验条件，并且，制备的TiO₂NPs/NTAs复合结构，其中TiO₂NPs往往并非单分散在纳米管的表面，极易出现团聚现象，堵塞纳米管口径，进而影响光电性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种原位生长TiO₂纳米颗粒/纳米管的染料敏化太阳能电池的制备方法，通过采用简单的水处理TiO₂纳米管的方法，直接在成型的无定形纳米管上原位生成TiO₂纳米颗粒，整个制备过程操作简单，安全可靠，同时对环境无污染。并且在无需外加Ti源，测试表明原位水处理生成的TiO₂纳米颗粒均匀分布在纳米管壁上，成功实现了TiO₂NPs/NTAs（纳米颗粒/纳米管）复合结构纳米阵列及其染料敏化太阳能电池的制备。

本发明提供一种原位生长TiO₂纳米颗粒/纳米管的染料敏化太阳能电池的制备方法，所述制备方法具体为：

将钛片置于阳极氧化溶液中进行两次阳极氧化反应，得到基于钛基底的TiO₂纳米管，并将钛基底剥离而得到TiO₂纳米管薄膜，再将TiO₂纳米管的薄膜粘贴于导电玻璃上后置含水溶液中反应，得到TiO₂纳米颗粒/纳米管复合结构，最后将得到的复合结构进行退火结晶，并于染料溶液中浸泡后，组装成染料敏化太阳能电池。

所述钛片的纯度为99.4%以上，钛片在进行两步阳极氧化反应之前需要进行预处理，具体为，将钛片进行剪裁形成梳状结构，然后进行超声清洗后吹干备用。

所述两步阳极氧化反应具体包括：

A、一次氧化反应：将预处理后的钛片和惰性电极放入阳极氧化溶液中，外接恒压电源进行反应；

B、去一次氧化反应：将反应完全的钛片取出，清洗超声使氧化层与钛基底分离，取出钛片，清洗吹干备用，得到表面清洗干净的去一次氧化的钛片；