[发明专利]掺杂金属的染料敏化TiO2纳晶薄膜光电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池的TiO₂纳晶薄膜光电极的制造技术领域，特别涉及由含有光散射效应的大颗粒TiO₂和掺杂金属的TiO₂纳晶颗粒的胶体制备掺杂金属的染料敏化TiO₂纳晶薄膜光电极的方法。

背景技术

一方面，在染料敏化太阳能电池中，纳米尺度的TiO₂半导体由于具有合适的禁带宽度、耐光腐蚀性能好、光电转换效率高等特点而于近年来得到了广泛应用。染料敏化TiO₂纳晶薄膜由TiO₂纳晶颗粒相互连接形成多孔网络状结构，这种结构既提供了电子输运通道，又提供了供染料吸附的大比表面积。吸附在纳晶薄膜表面的光敏分子染料吸收光能是染料敏化太阳能电池光电转换的前提，提高光吸收效率是提高电池光电转换效率的一个重要关键。另一方面，改进TiO₂纳晶多孔薄膜电极以进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率也开始成为人们的研究热点。染料敏化太阳能电池中，敏化分子染料受光激发产生电子，光生电子注入到TiO₂导带中，然后由导带通过外电路传输从而形成光电流；在此过程中保证电子在纳晶薄膜内的高速传输是影响光电转换效率至关重要的因素。

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。目前文献报道中的金属掺杂广泛应用在光催化领域，如“J.Wolfenstine，J.L.Allen，Electrical conductivity and charge compensation in Ta dopedLi₄Ti₅O₁₂”，“Zhao.J1，Wang.XX，Kang.YR，Photoelectrochemical activities ofW-doped titania nanotube arrays fabricated by anodization”，“Kim.SW，Khan.R，Kim.TJ，Synthesis，characterization，and application of Zr，S co-doped TiO₂asvisible active photocatalyst”，但是还未曾有人应用到太阳能电池领域。因此本发明的首要出发点是采用含有掺杂金属的TiO₂纳晶颗粒的胶体制备纳晶薄膜电极，在此基础上通过添加具有光散射性能的大颗粒TiO₂来增加纳晶薄膜的光散射性能，从而提高了TiO₂纳晶薄膜电极的吸光效率，进而提高光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于用水热合成的方法制备得到掺杂金属的TiO₂纳晶颗粒，将其应用到染料敏化太阳能体系中，并通过添加具有光散射性能的大颗粒TiO₂来提高光电转换效率，从而提供一种掺杂金属的染料敏化TiO₂纳晶薄膜光电极的制备方法。

在本发明中，为了把金属掺杂剂掺入到半导体化合物TiO₂的晶格中，在钛盐溶液水解的过程中，就加入了金属掺杂剂进行共水解。

本发明掺杂金属的染料敏化TiO₂纳晶薄膜光电极的制备方法包括以下步骤：

(1)将钛盐与溶剂混合配制成钛盐溶液，将金属掺杂剂和溶剂混合配制成金属掺杂剂溶液；然后将钛盐溶液与金属掺杂剂溶液混合进行水解反应，其中，混合液中的金属掺杂剂中的金属含量是钛盐质量的0.1％～5％，优选为1％；反应后的混合液放入高压釜中，150℃～240℃(优选在180℃)下进行水热反应，反应时间是4小时～24小时，优选为12小时；将水热反应结束后的乳浊液进行旋转蒸发，直至得到的掺杂金属的TiO₂胶体中掺杂金属的TiO₂纳晶颗粒的质量百分含量(固含量)达到12％；

(2)在步骤(1)制得的掺杂金属的TiO₂胶体中，加入是胶体质量1％～50％的具有光散射效应粒径为25nm的大颗粒TiO₂，优选为10％，配置成含有光散射效应的大颗粒TiO₂和掺杂金属的TiO₂纳晶颗粒的胶体；