[发明专利]纳米中空刺球结构的TiO2、制备方法及用于太阳能电池光阳极

说明书

技术领域

本发明属于染料敏化太阳能电池技术领域，具体涉及一种纳米中空刺球结构的TiO₂、制备方法及其在作为染料敏化太阳能电池光阳极材料方面的应用。

背景技术

环境污染和可再生能源的缺乏是人类面临的两大挑战。作为最主要的可再生绿色能源，太阳能越来越多的受到人们的关注。其中，染料敏化太阳能电池因其低功耗、工艺简单、环境友好且转换效率高等优点很快成为新一代太阳能电池的代表。近二十年里，科学家做了大量研究，尤其是对纳米多孔的二氧化钛材料的研究取得了许多突破性的进展。众所周知，二氧化钛纳米晶薄膜作为电池光阳极，其晶体结构、晶体尺寸和材料形貌(例如：纳米线、纳米片、纳米管、纳米花、纳米球等)对电池的光电性能影响很大。尽管一维纳米结构的二氧化钛作为光阳极分层结构中的底层，具有转移阻抗低、电子寿命长、晶界少等优点，但其光散射能力低，并且因为比表面积相对三维纳米结构小，所以染料吸附能力较弱，限制了其光电性能的进一步提高。因此，具有高光散射效率和大比表面积的二氧化钛纳米材料成为染料敏化太阳能电池光阳极材料所追求的对象。设计并合成具有特殊形貌的二氧化钛材料来满足上述要求作为一种提高电池性能的有效方法具有深远的研究意义和广泛的应用前景。

发明内容

针对背景技术中对于具有特殊形貌和优点的二氧化钛材料的追求，本发明提供一种具有纳米中空刺球结构的二氧化钛材料的制备方法及该材料在作为染料敏化太阳能电池光阳极方面的应用。该方法制得的二氧化钛还可以广泛的应用于光催化、光化学、锂电池等其他领域。

本发明所述的染料敏化太阳能电池，由阳极导电玻璃FTO，染料敏化的TiO₂纳米晶薄膜电极，电解质溶液(I^-/I₃^-)，Pt对电极组成；电解液通过真空回填的方法注入电池。结构如图1所示，其特征在于：光阳极材料为本发明所制备的纳米中空刺球结构的二氧化钛，利用该材料制备的多孔TiO₂纳米晶薄膜具有很好的光散射作用。当入射光透过导电玻璃FTO，进入TiO₂纳米晶薄膜，因为制备的材料具有特殊的多孔结构可以多次反射并有效地吸收入射光，从而大幅度提高入射光的利用率。同时，由于其特殊的纳米结构增大了材料的比表面积，有利于吸附更多的染料，从而达到提高光电转换效率的目的。

本发明所述的纳米中空刺球结构的TiO₂材料是通过硬模板的方式合成，首先利用化学共沉淀的方法合成SiO₂纳米球模板，然后在SiO₂表面包覆一层TiO₂，最后通过与一定浓度的NaOH水溶液的水热反应，一步去除SiO₂模板，并有效腐蚀TiO₂表面，最终得到纳米中空刺球结构的TiO₂材料。其中，SiO₂纳米球模板利用共沉淀的方法制备，该方法可以制备出单分散性极好的SiO₂纳米球，并且直径可以准确控制；TiO₂层可以通过化学包覆的方法制备。

本发明所述的一种具有纳米中空刺球结构的二氧化钛的制备方法，其步骤如下：

(1)量取3～7mL正硅酸乙酯(北京精细化学有限公司)，加入到45mL乙醇中得到溶液A，磁力搅拌10～20min；

(2)量取2～6mL氨水(浓度25～28wt.％)(北京精细化学有限公司)，加入到由10mL去离子水与35mL乙醇组成的混合溶液中得到溶液B，磁力搅拌10～20min；

(3)将溶液A加入到溶液B中，在40～60℃水浴锅中充分搅拌2～3h，得到白色悬浊液；

(4)将步骤(3)中的白色悬浊液用乙醇清洗3～5遍，再将清洗过的产物放入60～80℃真空烘箱中，烘干5～10小时后取出，得SiO₂样品；

(5)量取0.2～0.4g步骤(4)中所述的SiO₂样品，加入到100mL乙醇中，超声溶解10～20min得到悬浊液C；

(6)量取2～3mL钛酸四丁酯(北京精细化学有限公司)，加入到100mL乙醇中，磁力搅拌5～10min得到溶液D；

(7)将溶液D加入到悬浊液C中，同时加入1～2mL氨水(浓度25～28wt.％)，在40～60℃水浴锅中搅拌2～4h，得到白色悬浊液；