[发明专利]染料敏化外负载TiO2/(PPA-Pt)surf.薄膜电极及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及高度有序多孔纳米晶薄膜敏化光伏电极及其制备工艺，属于功能材料领域。

背景技术

能源是国民经济的重要物质基础，也是人类赖以生存的基本条件。当今世界的主要能源为化石燃料(煤炭、石油、天然气)，而世界能耗正以年5％的速度增长，预计化石燃料只能供人类使用一二百年。地球上的能源绝大部分来自太阳的光辐射。植物光合作用吸收太阳能只占到到达地面能量的千分之一，若在地球1％陆地面积上能以10％的效率转换太阳能，足以满足当前能源2倍的需求。目前，世界上应用最广泛的太阳能电池为硅系太阳能电池(以半导体P-N结为原理)，但由于单晶硅太阳能电池成本较高，多晶硅太阳能电池转换效率不高，因而工业上的大规模生产应用仍存在困难。

瑞士洛桑高等工业学院教授所领导的研究小组，自上世纪80年代以来致力于开发新型的太阳能电池。该小组以TiO₂纳米多孔膜作为半导体电极，以Ru及Os等有机金属化合物作为光敏化材料，选用适当的氧化-还原电解质做介质，组装成染料敏化TiO₂纳米晶太阳能电池(简称DSC电池，Dye-sensitized Solar Cell)。DSC电池基于模拟植物光合作用的原理，光的吸收与电子的激发传递分别进行。DSC是由透明导电玻璃、TiO₂多孔纳米膜、电解质溶液以及镀铂镜对电极构成的“三明治”式结构如图1所示。

DSC中的能量产生机制为：

染料+光——>染料*

染料*+TiO₂——>e^-(TiO₂)+氧化态染料

氧化态染料+3/2I^-——>染料+1/2I₃^-

1/2I₃^-+e^-(对电极)——>3/2I^-

染料分子在太阳光的照射下吸收能量，染料分子中的电子由基态跃迁到激发2态，TiO₂作为电子受体接受来自染料分子的电子，同时染料分子失去电子而成为激发态。电解质溶液中的I^-/I₃^-电对中的I^-作为电子供体，向氧化态的染料分子提供电子将其还原再生，I₃^-扩散到对电极，得到电子并被还原，从而完成了一个光电化学反应循环。

TiO₂是一种宽禁带的n型半导体，其禁带宽为3.2eV。受能量大于400nm的光照射时，电子从价带跃迁到导带，从而有效地产生电子空穴对。当TiO₂被制成纳米尺寸的粒子时，则显示出特殊的不同于本体的光学和电学性质。直径为10-30nm的TiO₂纳米粒子烧结而成的TiO₂电极，由于其所具有的纳米多孔结构，有效面积可以增大一千倍。目前，纳米TiO₂膜的常用制备方法有多种，如：气相沉积法、阳极氧化电沉积法、阴极电沉积法、溶胶-凝胶法、水热反应法等。TiO₂纳米多孔膜具有孔隙率高，比表面积大的优点，应用于DSC，一方面可以吸收更多的染料分子；另一方面薄膜内部晶粒间的互相多次反射，使太阳光的吸收加强。因此，染料敏化TiO₂晶体电极是DSC的关键部件，它既可以保证高的光电转化量子效率，又可以保证高的光捕获效率，其质量对电池的光电性能有很大影响。本课题利用阳极氧化铝模板制备纳米结构TiO₂电极，研究染料敏化后纳米结构TiO₂电极的光电转换特性，揭示光生电荷的传递机理，探讨纳米结构TiO₂电极在太阳能电池方面的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种稳定性好、长效性佳、制备工艺简单、易于工业化生产、多孔材料增强的染料敏化外负载TiO₂/(PPA-Pt)_surf.薄膜电极及其制备工艺。