[发明专利]柔性基体材料表面获取多孔高纯锐钛矿相二氧化钛薄膜的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛(TiO₂)薄膜的制备技术，特别涉及一种在柔性基体材料表面获取多孔高纯锐钛矿相二氧化钛薄膜的制备工艺，该工艺获得的多孔高纯锐钛矿相二氧化钛薄膜可用作染料敏化太阳能电池(DSSC)光电极和污水净化，属于太阳能电池制备和环境保护技术领域。

技术背景

据资料报导，传统能源煤、石油和木材等按目前的消耗速度只能维持五十年至一百年。此外，由传统能源的开采与供能所带来的各种污染，也正威胁着人类的生存环境。经济的快速发展使得传统能源储量锐减和环境负荷日益增加，开发新能源和治理环境污染已成为协调经济社会可持续发展的必然要求。

太阳能是取之不尽的清洁能源，具有广阔的应用前景。染料敏化太阳能电池因制造成本低，与环境相容性好，对光强和波段的利用范围大等特点而成为近年来的研究热点。目前，染料敏化太阳能电池的基体材料以纳米铟锡金属氧化物(ITO)，氟掺杂氧化锡(FTO)导电玻璃为主，但这些基体厚重、易碎、环境耐受力不足以及不可折叠的缺点制约了染料敏化太阳能电池在航空航天，野外作业等特定环境和工况中的应用。可预言，新型柔性基体染料敏化太阳能电池将比任何一种类型太阳能电池的应用领域都广泛[Wim.Zoomer、裴桂范，当代薄膜太阳能电池综述，丝网印刷，2010，05：10-12]。柔性基体染料敏化太阳能电池与传统硬质导电玻璃的染料敏化太阳能电池相比，光电转化机理并无不同，其本质区别在于承载太阳能电池器件基体材料的择选，光电极制备方式及基体材料与电极薄膜和器件薄膜材料间的结合性能、兼容性和可靠性。

在众多高分子柔性材料中，聚酰亚胺是一类具有高绝缘性和热稳定性，耐低温，化学稳定性好，机械性能良好，耐辐照，无毒害，易回收的绝缘高分子工程材料，适用于许多苛刻环境，所以聚酰亚胺材料是柔性染料敏化太阳能电池基体的最佳选择。但如何在玻璃化温度约为250-300℃的聚酰亚胺表面获取结合性能优异的染料敏化太阳能电池光电薄膜，即在聚酰亚胺表面获取多孔高纯锐钛矿相二氧化钛薄膜却面临巨大挑战。

众所周知，锐钛矿相二氧化钛相比金红石相二氧化钛而言具有导电性好，表面活性高，即对大多数有机物染料的表面亲和性好和光激发产生的空穴-电子对再结合几率低等诸多优点。因而锐钛矿相二氧化钛薄膜是染料敏化太阳能电池的首选光电极材料[潘凯，染料敏化TiO₂纳米晶多孔膜光电化学电池的性质研究，吉林大学博士论文，2006和M.Zhu，T.Chikyow，P.Ahmet，Thin Solid Films，2003，441：140-144]。迄今为止，文献报道的锐钛矿相二氧化钛薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶法，反应磁控溅射法和电化学阳极氧化法等。其中，溶胶-凝胶法所得二氧化钛薄膜为多孔结构，其可观的比表面积有利于吸附大量染料分子而使电极具有较高的光电转换效率，但普遍存在的薄膜与基底结合强度低，薄膜易脱落的缺点大大降低了材料整体的使用寿命[张彭义、余刚、蒋展鹏，光活性二氧化钛膜的制备与应用，环境科学进展，1998，6(5)：50-56]。针对这一缺陷，有研究者尝试以反应磁控溅射法制备二氧化钛薄膜，如文献[A.A.Onifade，P.J.Kelly，Thin Solid Film，2006，494：8-12]。该方法所得二氧化钛薄膜与基底结合强度高，但膜体致密，比表面积小的缺陷又严重阻碍了光电转换效率的提高；近期，又有研究者通过电化学阳极氧化的方法用钛板原位生长二氧化钛纳米管，如文献[PatchareeCharoensirithavorn，Yuhei Ogomi，Takashi Sagawa，Journal of Grewth，2009，311：757-759]，这种方法综合了前述两种方法的优点，可以获得比表面积高且不易脱落的二氧化钛薄膜，但所用基底材料必须是钛板。其次，上述方法所使用的基底材料多为纳米铟锡金属氧化物或氟掺杂氧化锡导电玻璃及钛板等，且通常需要300℃以上高温退火以促进薄膜结晶，显然，一般柔性材料的玻璃化温度都难以满足这一工艺要求。