一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法及其应用技术

一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法及其应用，它涉及一种光阳极的制备方法及其应用。本发明专利技术的目的是要解决现有介孔材料作为敏化太阳能电池的光阳极使用时电子传输效率低，光电子在传输过程中易发生复合的问题。方法：一、制备去除杂质的导电基底；二、利用TiCl4水解制备阻挡层；三、以水热体系制备TiO2骨架，得到同质阻挡层/骨架结构。本发明专利技术制备的同质阻挡层/骨架结构作为无机的量子点敏化太阳能电池的光阳极制备的无机的量子点敏化太阳能电池的光电转化效率PCE达到5.45％～6.24％。本发明专利技术可获得同质阻挡层/骨架结构。

A method for the preparation of homogenous barrier / skeleton structure by hydrolysis of four titanium chloride and its application

A method for preparing homogenous barrier / skeleton structure by hydrolysis of four titanium chloride and its application, which involves a preparation method and application of a kind of photo anode. The purpose of the present invention is to solve the problem that the existing mesoporous materials are used as sensitized solar cells, and the electron transmission efficiency is low when they are used. Methods: first, we prepare the conductive substrate to remove impurities; two, prepare barrier layer by TiCl4 hydrolysis; three, prepare the TiO2 skeleton by hydrothermal system, and obtain the homogenous barrier / skeleton structure. The homogeneous barrier layer / skeleton structure prepared by the invention is an inorganic quantum dot sensitized solar cell, and the photoelectric conversion efficiency of the inorganic quantum dot sensitized solar cell is PCE to 5.45% to 6.24%. The invention can obtain the homogeneity barrier layer / skeleton structure.

【技术实现步骤摘要】
一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法及其应用
本专利技术涉及一种光阳极的制备方法及其应用。
技术介绍
近年来，随着人们对能源的需求不断增加和石化燃料储量的持续减少，寻找一种新的来源丰富、绿色环保的能源已成为目前科研的重要课题之一。太阳能作为一种取之不尽的天然能源日益受到全世界的关注，其中太阳能电池能够直接转化太阳能为电能，已成为目前研究的热点。量子点敏化太阳能电池(QDSSC)是基于染料敏化体系发展的新型太阳能电池，其具有以下优点：一、禁带宽度可调，光稳定性高；二、具有激子倍增效应；三、具有较大的消光系数和本征偶极矩，促进电子空穴分离；四、电子给体和受体材料的能级匹配容易实现；这些优势使得量子点敏化太阳能电池的理论效率可以达到44％，具有很好的发展前景。量子点太阳能电池体系由多层结构组成：导电基底/电子传输层(光阳极)/量子点敏化剂/电解液/空穴传输层(光阴极)/金属对电极。然而在实际电荷传输过程中，传统的介孔材料作为光阳极主要结构，提供了丰富的纳米孔道来吸附敏化剂和电子传递；但是同时暴露了很多表面接触，介孔材料/导电基底的界面中存在大量电解液与导电基底的欧姆接触，电子在这个界面会发生严重的复合，因此，使用传统的介孔材料作为光阳极制备的无机的量子点敏化太阳能电池效率值低，约为0.27％～2.15％。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有介孔材料作为敏化太阳能电池的光阳极使用时电子传输效率低，光电子在传输过程中易发生复合的问题，而提供一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法及其应用。一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法，具体是按以下步骤完成的：一、将导电基底依次在甲苯、丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，再使用无水乙醇冲洗2次～4次，最后使用氮气吹干，去除表面的油污，得到干净的导电基底；二、利用TiCl4水解制备阻挡层：①、在冰水浴下配制浓度为20mmol/L～60mmol/L的四氯化钛水溶液，密封后在冰水浴下和搅拌速度为50r/min～80r/min下搅拌1h～3h，得到阻挡层溶液；②、将干净的导电基底的导电面朝下倾斜固定在烧杯中，再将烧杯在温度为50℃～80℃下恒温0.5h～2h；③、向步骤二②中温度为50℃～80℃的烧杯中倒入阻挡层溶液，再在温度为50℃～80℃下恒温静置1h～3h，反应后取出导电基底，使用蒸馏水对导电基底清洗3次～5次，再使用无水乙醇对导电基底清洗3次～5次，最后使用氮气吹干；将导电基底放入温度为400℃～650℃的管式炉中，再在温度为400℃～650℃的管式炉中恒温煅烧0.5h～2h，导电基底上沉积有N型半导体TiO2薄膜，充当阻挡层，得到阻挡层/导电基底；步骤二③中所述的阻挡层溶液的体积与烧杯的容积比为(0.6～0.75):1；三、以水热体系制备TiO2骨架：①、向蒸馏水中加入质量分数为32％～35％的盐酸，搅拌均匀，得到盐酸溶液；步骤三①中所述的质量分数为32％～35％的盐酸与蒸馏水的体积比为(0.8～2.3):1；②、将步骤三①中得到的盐酸溶液加热至40℃～70℃，再在温度为40℃～70℃和搅拌速度为50r/min～80r/min下滴加钛酸四丁酯，得到反应液Ⅰ；将反应液Ⅰ的温度控制在40℃～70℃，再在温度为40℃～70℃和搅拌速度为50r/min～80r/min下搅拌1h～3h，再自然冷却至室温，得到骨架反应液；步骤三②中所述的反应液Ⅰ中钛酸四丁酯的浓度为45mmol/L～60mmol/L；③、将阻挡层/导电基底的阻挡层面倾斜固定在聚四氟乙烯反应釜中，向聚四氟乙烯反应釜中加入骨架反应液，再将聚四氟乙烯反应釜密封；将密封的聚四氟乙烯反应釜在温度为150℃～200℃下恒温加热5h～10h，再随炉冷却至室温；将阻挡层/导电基底取出后放入温度为400℃～650℃的管式炉中恒温煅烧3h～5h，得到同质阻挡层/骨架结构；步骤三③中所述的骨架反应液的体积与聚四氟乙烯反应釜的容积比为(0.6～0.75):1。同质阻挡层/骨架结构作为敏化太阳能电池的光阳极应用。本专利技术的原理及优点：一、本专利技术制备了同质阻挡层/骨架结构，作为电子传输结构，具有以下优势：同质阻挡层/骨架结构中含有TiO2一维纳米线阵列，TiO2一维纳米线阵列结构作为电子传输骨架，将一维纳米结构材料应用在光阳极中，增加光程的同时为光生电荷提供直线的传输路径，大大缩短了电子传输距离；提高了电荷在光阳极中的传输效率，并有效抑制了光电子在传输过程中的复合；二、本专利技术利用四氯化钛水解在导电基底/骨架的界面中制备阻挡层结构，由于通过化学浴沉积的方式水解TiCl4制备阻挡层，因此制备阻挡层和骨架的顺序至关重要，本专利技术比较了常见的先制备骨架后制备阻挡层(S-BL)及先制备阻挡层后制备骨架(BL-S)的不同制备顺序的光阳极，发现BL-S光阳极结构光伏性能显著优异于常见的S-BL结构，CBL-S％＝807％～825％、CS-BL％＝340％～352％，相比于S-BL结构，BL-S结构的界面清晰有序，阻挡层厚度均一，膜层厚度低；三、本专利技术利用四氯化钛水解的方法制备阻挡层，得到的阻挡层厚底低，可控制在300nm～500nm之间，利用这种方法制备的阻挡层/骨架结构避免了在化学浴沉积过程中出现的骨架联结，阻挡层平整性差的出现，阻挡层的设计阻挡了骨架缝隙中的电解液和量子点与导电基底的直接欧姆接触，避免电子与电解液中空穴在导电基底上的复合，增加进而提高电池光伏效率；四、通过XRD可以确定本专利技术制备的同质阻挡层/骨架结构中阻挡层和骨架具有同样的晶格参数，同质的阻挡层/骨架结构有助于减小电池等效内阻，提高电子利用率；本专利技术制备的阻挡层和骨架结构两者都是金红石相二氧化钛；引入同质阻挡层/骨架后对无机的量子点敏化太阳能电池的光电性能有明显提升，本专利技术先制备阻挡层，后制备骨架，即制备的同质阻挡层/骨架结构作为无机的量子点敏化太阳能电池的光阳极制备的无机的量子点敏化太阳能电池的短路电流Jsc为12.60mA/cm2～13.32mA/cm2，开路电压Voc为0.83V～0.86V，填充因子FF为0.514～0.52，光电转化效率PCE达到5.45％～6.24％；五、本专利技术制备的同质阻挡层/骨架结构中阻挡层的厚度为320nm～352nm；骨架TiO2纳米线均长约2.5μm～2.8μm左右，直径约45nm～65nm。本专利技术可获得同质阻挡层/骨架结构光阳极。附图说明图1为实施例一步骤二制备的阻挡层/导电基底中阻挡层的SEM图；图2为实施例一步骤二制备的阻挡层/基底中阻挡层与基底的截面SEM图；图3为紫外透过光谱图，图3中1为玻璃基地的紫外透过光谱曲线，2为FTO的紫外透过光谱曲线，3为实施例一步骤二中制备的阻挡层/导电基底的紫外透过光谱曲线，4为实施例二步骤二中制备的阻挡层/导电基底的紫外透过光谱曲线；图4为实施例一步骤三③制备的同质阻挡层/骨架结构的SEM图；图5为实施例一步骤三③制备的同质阻挡层/骨架结构的截面SEM图；图6为对比试验三制备的S-BL光阳极结构的SEM图；图7为对比试验三制备的S-BL光阳极结构的截面SEM图；图8为X射线衍射图谱，图8中1为FTO主要成分SnO2的标准X射线衍射图谱，2为金红石的标准X射线衍射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法，其特征在于一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法具体是按以下步骤完成的：一、将导电基底依次在甲苯、丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，再使用无水乙醇冲洗2次～4次，最后使用氮气吹干，去除表面的油污，得到干净的导电基底；二、利用TiCl4水解制备阻挡层：①、在冰水浴下配制浓度为20mmol/L～60mmol/L的四氯化钛水溶液，密封后在冰水浴下和搅拌速度为50r/min～80r/min下搅拌1h～3h，得到阻挡层溶液；②、将干净的导电基底的导电面朝下倾斜固定在烧杯中，再将烧杯在温度为50℃～80℃下恒温0.5h～2h；③、向步骤二②中温度为50℃～80℃的烧杯中倒入阻挡层溶液，再在温度为50℃～80℃下恒温静置1h～3h，反应后取出导电基底，使用蒸馏水对导电基底清洗3次～5次，再使用无水乙醇对导电基底清洗3次～5次，最后使用氮气吹干；将导电基底放入温度为400℃～650℃的管式炉中，再在温度为400℃～650℃的管式炉中恒温煅烧0.5h～2h，导电基底上沉积有N型半导体TiO2薄膜，充当阻挡层，得到阻挡层/导电基底；步骤二③中所述的阻挡层溶液的体积与烧杯的容积比为(0.6～0.75):1；三、以水热体系制备TiO2骨架：①、向蒸馏水中加入质量分数为32％～35％的盐酸，搅拌均匀，得到盐酸溶液；步骤三①中所述的质量分数为32％～35％的盐酸与蒸馏水的体积比为(0.8～2.3):1；②、将步骤三①中得到的盐酸溶液加热至40℃～70℃，再在温度为40℃～70℃和搅拌速度为50r/min～80r/min下滴加钛酸四丁酯，得到反应液Ⅰ；将反应液Ⅰ的温度控制在40℃～70℃，再在温度为40℃～70℃和搅拌速度为50r/min～80r/min下搅拌1h～3h，再自然冷却至室温，得到骨架反应液；步骤三②中所述的反应液Ⅰ中钛酸四丁酯的浓度为45mmol/L～60mmol/L；③、将阻挡层/导电基底的阻挡层面倾斜固定在聚四氟乙烯反应釜中，向聚四氟乙烯反应釜中加入骨架反应液，再将聚四氟乙烯反应釜密封；将密封的聚四氟乙烯反应釜在温度为150℃～200℃下恒温加热5h～10h，再随炉冷却至室温；将阻挡层/导电基底取出后放入温度为400℃～650℃的管式炉中恒温煅烧3h～5h，得到同质阻挡层/骨架结构；步骤三③中所述的骨架反应液的体积与聚四氟乙烯反应釜的容积比为(0.6～0.75):1。...

【技术特征摘要】
1.一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法，其特征在于一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法具体是按以下步骤完成的：一、将导电基底依次在甲苯、丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗，再使用无水乙醇冲洗2次～4次，最后使用氮气吹干，去除表面的油污，得到干净的导电基底；二、利用TiCl4水解制备阻挡层：①、在冰水浴下配制浓度为20mmol/L～60mmol/L的四氯化钛水溶液，密封后在冰水浴下和搅拌速度为50r/min～80r/min下搅拌1h～3h，得到阻挡层溶液；②、将干净的导电基底的导电面朝下倾斜固定在烧杯中，再将烧杯在温度为50℃～80℃下恒温0.5h～2h；③、向步骤二②中温度为50℃～80℃的烧杯中倒入阻挡层溶液，再在温度为50℃～80℃下恒温静置1h～3h，反应后取出导电基底，使用蒸馏水对导电基底清洗3次～5次，再使用无水乙醇对导电基底清洗3次～5次，最后使用氮气吹干；将导电基底放入温度为400℃～650℃的管式炉中，再在温度为400℃～650℃的管式炉中恒温煅烧0.5h～2h，导电基底上沉积有N型半导体TiO2薄膜，充当阻挡层，得到阻挡层/导电基底；步骤二③中所述的阻挡层溶液的体积与烧杯的容积比为(0.6～0.75):1；三、以水热体系制备TiO2骨架：①、向蒸馏水中加入质量分数为32％～35％的盐酸，搅拌均匀，得到盐酸溶液；步骤三①中所述的质量分数为32％～35％的盐酸与蒸馏水的体积比为(0.8～2.3):1；②、将步骤三①中得到的盐酸溶液加热至40℃～70℃，再在温度为40℃～70℃和搅拌速度为50r/min～80r/min下滴加钛酸四丁酯，得到反应液Ⅰ；将反应液Ⅰ的温度控制在40℃～70℃，再在温度为40℃～70℃和搅拌速度为50r/min～80r/min下搅拌1h～3h，再自然冷却至室温，得到骨架反应液；步骤三②中所述的反应液Ⅰ中钛酸四丁酯的浓度为45mmol/L～60mmol/L；③、将阻挡层/导电基底的阻挡层面倾斜固定在聚四氟乙烯反应釜中，向聚四氟乙烯反应釜中加入骨架反应液，再将聚四氟乙烯反应釜密封；将密封的聚四氟乙烯反应釜在温度为150℃～200℃下恒温加热5h～10h，再随炉冷却至室温；将阻挡层/导电基底取出后放入温度为400℃～650℃的管式炉中恒温煅烧3h～5h，得到同质阻挡层/骨架结构；步骤三③中所述的骨架反应液的体积与聚四氟乙烯反应釜的容积比为(0.6～0.75):1。2.根据权利要求1所述的一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法，其特征在于步骤一中所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或柔性石墨烯基底。3.根据权利要求1所述的一种利用四氯化钛水解制备同质阻挡层/骨架结构的方法，其特征在于步骤一中导电基底在甲苯中超声清洗的频率为30kHz～90kHz，超声清洗的时间为15min～60min，导电基底在丙酮中超声清洗的频率为30kHz～90kHz，超声清洗的时间为15m...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚忠平，李东琦，夏琦兴，张凌儒，孟艳秋，戴鹏程，姜兆华，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23