[发明专利]一种具有紫外线阻挡和表面自清洁作用的氧化钛薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及氧化钛薄膜在光电转换技术中的应用领域，特别涉及一种具有紫外线阻挡和表面自清洁作用的氧化钛薄膜。

背景技术

染料敏化太阳能电池（DSC）具有类似于三明治式的基础结构，由光阳极、光阴极（亦称对电极）、以及填充在阴阳两极间的电解质组成。光阳极是由沉积了纳米氧化物半导体（通常使用纳米多孔氧化钛，TiO₂）薄膜、并吸附了单分子层光敏染料的透明导电基底（如导电玻璃、导电高分子）构成；光阴极为担载了催化剂的导电基底（如担载Pt的导电玻璃）；电解质有液态、固态及准固态之分，其中都含有氧化还原电对（常用的氧化还原电对为I^–/I₃^–）。对于使用液态电解质的DSC电池，最后采用密封材料将电解质密封在光阳极和光阴极之间。DSC电池的工作原理是：太阳光从光阳极一侧照射电池，染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态，处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中，电子通过扩散到达导电基底后流入外电路中，并最终到达光阴极，处于氧化态的染料被电解质中的还原态物质还原、再生，而电解质中的氧化态物质在光阴极上接受一个电子后被还原，从而完成一个循环。由此可知，吸附在TiO₂表面的光敏染料起到吸收太阳光并向TiO₂导带注入电子的能量天线的关键作用。电解质起到了载流子传输的重要作用。

TiO₂是一种宽禁带的半导体。锐钛矿晶形TiO₂的禁带宽度是3.2 eV，对太阳光的截止吸收波长是385 nm，金红石晶形TiO₂的禁带宽度是3.0 eV，对太阳光的截止吸收波长是405 nm。太阳光主要由紫外线（λ < 400 nm）、可见光（400 nm ~ 700 nm）、红外线（λ > 700 nm）三部分组成。因此，TiO₂可以吸收太阳光中的紫外线，并且其价带上的电子可以被激发跃迁到导带，在导带和价带上分别产生相应的光生电子（e–）和光生空穴（h+）。TiO₂光生空穴具有超强的氧化能力，其反应能为402.8 MJ/mol，高于有机化合物中的各类化学键能，可以引发绝大多数有机物发生氧化反应，最终生成CO₂和H₂O等无机小分子。在染料敏化太阳能电池中，高效的光敏染料通常只吸收可见光和部分红外光线，不吸收紫外线，而不被光敏染料吸收的紫外线激发TiO₂后产生的具有超强氧化能力的光生空穴，可使吸附在TiO₂表面的光敏染料分解，失去能量天线的作用。同时，TiO₂被激发后产生的光生电子亦可以与电解质中的氧化态物质发生电子复合反应，降低了电解质传输载流子的能力。另外，到目前为止，大多数用于DSC的密封材料的抗紫外性能较低，在长时间的紫外线照射下，密封材料亦被降解、破坏，失去密封性能并最终导致电解液泄露。以上各因素都将导致DSC的使用寿命大大降低。

所以，高效地阻挡太阳光中的紫外线，避免半导体TiO₂被激发，同时尽可能多地让可见光和红外线通过导电基底，被光敏染料吸收利用，是保证DSC电池长期使用的关键。另一方面，DSC电池在使用过程中，其表面具有自清洁能力对电池效率的保持及美观都具有十分重要的现实意义。

发明内容

发明目的：为解决DSC电池在实际应用中的一些问题，本发明提供了一种具有紫外线阻挡和表面自清洁作用的氧化钛薄膜。其目的是在DSC电池的受光面制备一层TiO₂薄膜，这层TiO₂薄膜既可以滤除太阳光中的紫外线，保护电池中的光敏染料不被破坏，延长电池的使用寿命；又可以提高入射光的散射性能，从而提高光的利用率及电池效率；同时此TiO₂薄膜具有极高的光催化活性与超亲水性，可使涂膜的电池表面具有自清洁功能。

为实现上述目的，采用的技术方案之一是提供一种具有紫外线阻挡和表面自清洁作用的氧化钛薄膜，其特征在于：在染料敏化太阳能电池的受光面上制备一层具有紫外线阻挡、可见光增透和表面自清洁作用的TiO₂薄膜。