[发明专利]光固化制备多孔纳米二氧化钛薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及利用光固化技术制备多孔纳米二氧化钛薄膜的方法，属于功能材料技术领域，也属于光聚合技术领域，特别涉及利用光固化技术制备可用于染料敏化太阳能电池光阳极的多孔纳米二氧化钛薄膜的方法。

背景技术

自20世纪80年代以来，瑞士洛桑联邦高等技术学院教授的研究组一直致力于染料敏化多孔纳米电极的研究，他们以多孔纳米二氧化钛膜吸附过渡金属Ru络合物染料，选用适当的氧化—还原电解质，发展了一种染料敏化纳米晶薄膜电池。基于这一原理的电池研究在1991年取得突破，O'Regan和在Nature上报道了这类新型低成本光伏电池，在AM1.5模拟日光照射下，其总光电转换效率可达7.1～7.9%。1993年，研究组再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化太阳能电池。这种电池的出现为光电化学电池的发展带来了革命性的创新，染料敏化太阳能电池的主要优点在于它廉价的成本和简单的工艺，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10。

染料敏化太阳能电池具有类似三明治的结构：吸附有染料的多孔纳米二氧化钛薄膜光阳极，负载了催化剂的对电极以及两极之间的含有氧化还原对的电解液。在入射光的照射下，吸附于纳米二氧化钛表面的光敏染料吸收合适的光子，跃迁到激发态，然后向二氧化钛的导带注入电子，染料成为氧化态的正离子，电子在光阳极膜内扩散传至导电玻璃等集流体内，随后通过外电路形成电流到对电极，对电极上的电子经过催化反应转移到电解质中的氧化剂中，而电解质溶液中还原剂的电子则被染料正离子所接受，使得染料重生，形成一个完整的循环。在整个过程中，表观上化学物质没有发生变化，而光能转化成了电能。

为了提高二氧化钛的光催化性能和染料敏化太阳能电池的光电转换效率，通常需要制备具有多孔结构的纳米二氧化钛薄膜。一方面，多孔纳米二氧化钛薄膜具有大的比表面积，可以增加染料的吸附量，从而提高对太阳光的吸收效率；另一方面，太阳光在多孔结构内可以反复发生折射，增加染料对太阳光的吸收，从而提高对太阳光的利用效率。目前这种具有高比表面积的多孔纳米二氧化钛薄膜的制备方法主要有两类：（一）粉末涂覆法（如日本特开平10-212120号公报），将纳米二氧化钛分散成悬浮液负载在基材表面。该方法工艺简单、成本低廉，但是采用粉末涂覆法制备的纳米二氧化钛薄膜与基材的接触面积小，对基材的附着力不强，纳米二氧化钛薄膜易剥落。（二）溶胶-凝胶法（如日本特开平11-310898号公报），利用溶胶凝胶法直接在基材表面制备纳米二氧化钛薄膜。目前普遍采用的是溶胶-凝胶法，制得的纳米二氧化钛薄膜分布均匀，成膜性好，但是该方法本身也有一些难以克服的缺点，如工艺复杂，效率低下，无法有效控制纳米二氧化钛薄膜表面形貌，此外采用溶胶凝胶法制备的纳米二氧化钛薄膜孔结构较少，比表面积小，染料难以进入纳米二氧化钛薄膜内部，从而影响了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供利用光固化技术制备可用于染料敏化太阳能电池光阳极的多孔纳米二氧化钛薄膜的方法。该方法工艺简单，成膜性好，充分利用了光固化技术的优势，制得的多孔纳米二氧化钛薄膜与基材的附着力强，形貌、尺寸可控，具有多孔结构，高比表面积，在染料敏化太阳能电池方面具有很高的实用价值和应用前景。

本发明提供的利用光固化技术制备具有多孔结构的纳米二氧化钛薄膜的方法，其将纳米二氧化钛胶体与可光聚合的单体混合制得可涂覆成膜的胶体二氧化钛分散体，涂覆于基材表面后使涂层进行光聚合反应固化成膜，最后通过热处理形成多孔纳米二氧化钛薄膜。基于上述内容，该方法具体包括以下步骤：

(1)基材预处理：将基底材料超声清洗干净，浸泡于异丙醇溶液中备用。

基底材料是依次按照洗涤剂、去离子水、丙酮、去离子水、乙醇和去离子水的顺序分别超声清洗10～20min。

(2)配制胶体分散体：将纳米二氧化钛均匀分散于乙醇和异丙醇的混合溶液中得a，乙醇和异丙醇的体积比例范围为2～5：5;单体和光引发剂溶解于乙醇和N,N-二甲基甲酰胺的混合溶液中得b，乙醇与N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比例为1：1，之后将b加入a中，混合均匀制得可涂膜的胶体二氧化钛分散体。

纳米二氧化钛为二氧化钛纳米颗粒、二氧化钛纳米管、二氧化钛纳米棒或二氧化钛纳米线中的一种或多种。

所得的胶体分散体中乙醇、异丙醇和N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比例范围为2～5：2：1～5，单体、光引发剂和二氧化钛的质量比例范围为1～2.5：0.02～0.1：0.5～2.0。