[发明专利]一种单晶菱形二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和二氧化钛浆料及其应用

说明书

本发明提供了一种单晶菱形二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和二氧化钛浆料及其应用。本发明提供的二氧化钛纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：将丙酮和异丙醇与胺源混合后加入钛源，进行溶剂热反应，得到TiO₂纳米颗粒；胺源与丙酮的体积比为1:2.0～5.5；胺源与钛源的体积比为1:0.8～1.2；本发明利用胺源与丙酮发生席夫碱反应产生水分子，促进钛源水解，通过控制各组分用量，得到单晶菱形TiO₂纳米颗粒。实验结果表明，本发明制备的TiO₂纳米颗粒为菱形，呈单晶特性且结晶性较高，具有更低的缺陷态密度；作为钙钛矿太阳电池的电子传输层能够提升电池的光电转换效率(23.42％)。

技术领域

本发明涉及光电材料技术领域，尤其涉及一种单晶菱形二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和二氧化钛浆料及其应用。

背景技术

近10年来，钙钛矿型有机金属卤化物太阳电池(简称钙钛矿太阳电池)的光电转换效率快速提升，掀起了国内外的研究热潮。钙钛矿材料作为新型的光吸收材料，具有如下特点：1)激子束缚能小；2)载流子扩散速度快、扩散距离长；3)吸收光谱宽；4)离子组成和带隙可调；5)钙钛矿材料可溶液法制备等特点，使其具有更强的竞争力，表现出十分巨大的应用潜力。钙钛矿材料因具有双极性电荷输送的性质，其组装的器件结构也灵活多样，一般分为平面异质结PSCs和介孔结构PSCs，每类都有对应的正式结构和反式结构器件。其中，平面异质结PSCs通常采用无孔致密的TiO₂薄膜作为空穴阻挡层，具有成本低和可加工性强等优点；而最典型的介孔结构PSCs是以致密TiO₂为阻挡层和介孔TiO₂纳米粒子为骨架构成的电子传输层，既为钙钛矿晶体材料的成核与生长提供空间，又为传输到金属氧化物的光生电子提供直接或间接的传输路径，具有更高的结构稳定性和效率。到目前为止，经美国可再生能源国家实验室(NERL)认证的世界最高记录多数采用TiO₂介孔薄膜作为电子传输层，说明具有TiO₂介孔结构的薄膜是获得高效率器件的重要因素。

通常，TiO₂纳米颗粒是采用三步法制备而来：1)水解反应：将钛酸四异丙酯或钛酸四正丁酯水解得到非晶形的TiO₂纳米颗粒，经过去离子水反复洗涤去除残留的反应物，得到非晶形的TiO₂纳米颗粒；2)成胶反应：将所得的非晶形的TiO₂纳米颗粒再次分散在去离子水中，利用氨水调节溶液的酸碱性，在120℃水浴环境下成胶，获得TiO₂水溶胶；3)水热反应：将所得的TiO₂水溶胶移入高压釜中，在200℃水热反应16h，获得锐钛矿晶型的TiO₂纳米颗粒。但是，该方法具有步骤较多、能耗高和物料损失大等缺点，且在结构上仍存在一些问题影响电池的光电性能：1)介孔TiO₂薄膜由纳米晶粒无序堆积而成，造成电子传输路径延长，增加了电子的复合几率，影响了器件的开路电压；2)晶粒间存在晶界位阻，降低了电子迁移率；3)晶粒存在着大量的缺陷态和表面态，极易诱捕光生电子，降低了电子传输性能，影响了器件的光电流；4)钙钛矿层和电子传输层间界面接触不好，不能保证光生载流子的快速分离，光生载流子在两相界面分离后，电子不能快速有效收集到电子传输层，造成光电流和开路电压的损失。

因此，有必要对TiO₂纳米颗粒的制备方法进行改进，使得到的TiO₂纳米颗粒分散均匀、具有更少陷阱态，从而提高钙钛矿太阳电池的光电转换效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶菱形二氧化钛纳米颗粒及其制备方法和二氧化钛浆料及其应用。本发明提供的制备方法制备的TiO₂纳米颗粒作为钙钛矿太阳电池的电子传输层能够提升电池的光电转换效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种单晶菱形TiO₂纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：