[发明专利]纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒以及二氧化钛薄膜光阳极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒的制备方法，以及一种二氧化钛薄膜光阳极的制备方法。 

背景技术

煤炭，石油等不可再生能源的短缺问题以及环境污染问题的加剧，使得如何有效利用安全，洁净，无污染且不受地理位置局限的太阳能资源愈加迫切。太阳能电池这种将太阳能转换为电能的新能源领域已成为众多研究者关注的领域。在各种不同类型的太阳能电池中，染料敏化太阳能电池以其光电转换效率高，制备工艺简单，成本低廉，对光照强度依赖小等优点受到广泛关注。 

染料敏化太阳能电池主要包括半导体光阳极，对电极以及位于半导体光阳极和对电极之间的电解质。其中，半导体光阳极是其重要组成部分，它不仅是吸附染料的载体，也是传输电子的载体。光阳极薄膜的粒径，比表面，孔径，孔隙率，膜厚等参数对染料敏化太阳能电池的光电转换效率有着非常关键的影响。目前，半导体光阳极薄膜常用的半导体材料为锐钛矿纳米二氧化钛，其具有成本低廉，来源丰富，无毒无污染，稳定及耐腐蚀性等优良性能。锐钛矿型二氧化钛只能吸收紫外光，而太阳光中紫外光只占3～4%，故需要吸附有机敏化染料分子来吸收可见光能量。 

染料敏化纳米二氧化钛薄膜电池工作原理如下：在太阳光作用下，染料分子中的电子受激发跃迁至激发态，激发态不稳定，电子很快注入到较低能级的二氧化钛导带，空穴则留在染料中，此时染料分子变为氧化态。电子在二氧化钛薄膜中传输至导电底层，然后经外电路转移至对电极，产生光电流。氧化态的染料分子被电解液中的I-(一价碘阴离子)还原，染料分子再生。被氧化的I3-(三价碘阴离子)在对电极得到电子还原为I-，完成电子传输过程的一个循坏。 

提高对太阳光能的利用率是提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的关键。为了提高对太阳光能的利用率，第一种途径是增大纳米二氧化钛薄膜的比表面积，比表面积越大，二氧化钛薄膜吸附的染料分子越多，对太阳光能的吸收也越多。第二种途径是提高二氧化钛薄膜对太阳光的透光率，透光率越高则电池对太阳光的利用率越高。 

目前，在染料敏化太阳能电池领域，光阳极虽然透光率很高，但是其二氧化钛薄膜中二氧化钛颗粒的比表面积较小。 

因此，在染料敏化太阳能电池领域，需要研发一种新的二氧化钛纳米颗粒并适用于二氧化钛薄膜光阳极中，以使其与导电基底结合良好，且形成的染料敏化太阳能电池的使用寿命长；以及使该二氧化钛纳米颗粒制备方法工艺简单，利于工业化应用。 

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提供一种新颖的二氧化钛纳米晶的制备方法，以及应用了该二氧化钛纳米晶的二氧化钛薄膜光阳极的制备方法。 

在此，一方面，本发明提供一种纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒的制备方法，包括： 

（1）将钛醇盐缓慢滴加入由三嵌段聚合物F127和无水乙醇溶液组成的溶液中，并静置12～36小时后离心，分离出沉淀物并烘干，其中F127、钛醇盐和无水乙醇的质量比为（4.5～18）：40：500； 

（2）将步骤（1）所得的烘干的沉淀物分散于无水乙醇和去离子水的混合液中，并在150～200℃水热处理8～12小时后离心，分离出沉淀物并洗涤，得到纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒。 

本发明中，使用三嵌段聚合物F127在钛醇盐水解的时候将水解产生的二氧化钛小颗粒进行包裹，并限制颗粒粒径的增长，从而使其进行聚合，形成球形颗粒，从而具有较高的比表面积。本发明的制备方法具有原料来源广泛、价格低廉、工艺和设备要求简单等优点，使其具有良好的工业化应用前景。 

较佳地，在步骤（1）中，所述钛醇盐为钛酸正四丁酯和/或钛酸异丙酯。 

较佳地，在步骤（2）中，无水乙醇和去离子水的体积比为2：1。 

较佳地，在步骤（2）中，所述烘干的沉淀物与所述混合液的质量比为（2.5～4.5）：185。 

本发明中，所制得的纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒包含重量比为1：（0.5～1.5）的二氧化钛和三嵌段聚合物F127；所述纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒的晶型为锐钛矿型，粒径为50～100nm，比表面积为100～150m2/g。该纳米晶二氧化钛聚合球形颗粒具有较高的比表面积，可广泛应用于染料敏化太阳能电池上，使用该颗粒制作成的二氧化钛薄膜光阳极具有较高的透光率（甚至高达100%），增加对太阳光的利用率，而且可以增加光阳极对染料的吸附量，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。 

另一方面，本发明还提供一种二氧化钛薄膜光阳极的制备方法，包括：