一维超长TiO2纳米棒阵列及其制备方法和在染料敏化太阳能电池中的应用技术

本发明专利技术公开了一维超长TiO2纳米棒阵列及其制备方法和在染料敏化太阳能电池中的应用。本发明专利技术采用支架法固定多片导电基底在一个反应釜量产多片高度均一的TiO2纳米棒阵列，结合马弗炉程控重结晶退火有效解决了一维TiO2纳米棒阵列易与导电基底脱落和不易水热量产的难题，同时结合支架法对所得TiO2纳米棒阵列进行水热刻蚀，有效解决了一维TiO2纳米棒阵列比表面积小和染料吸附量不足等问题。本发明专利技术获得的TiO2纳米棒阵列表现出优异的电子传输能力和染料吸附能力，将其应用在染料敏化太阳能电池中获得了11.14％的光电转化效率，为稳定量产制备基于一维TiO2纳米棒阵列光阳极的高效率染料敏化太阳能电池提供了可能。

【技术实现步骤摘要】
一维超长TiO2纳米棒阵列及其制备方法和在染料敏化太阳能电池中的应用
本专利技术属于光电材料
，具体涉及一维超长TiO2纳米棒阵列及其制备方法和在染料敏化太阳能电池中的应用。
技术介绍
染料敏化太阳能电池从第一次被Grazel等人报道后便引起了广泛的研究[1-3]，通常DSSC由一层介孔膜(光阳极)、单层染料分子、电解液和对电极构成，介孔TiO2颗粒膜吸附染料分子后，在太阳光的照射下，染料分子吸收太阳光产生激发电荷并将电子注入到TiO2的导带中，然后电子被传输到电极上，同时电解液的氧化还原对使激发态染料实现快速再生[4-6]。介孔TiO2颗粒膜由于颗粒与颗粒之间存在大量的晶界和表面存在大量的缺陷，这种结构会导致光生载流子之间的严重复合从而降低自身传输电子能力[7-9]。一维TiO2纳米棒阵列由于整齐垂直排列能够为电荷提供直接的传输通道，同时也具有大的比表面积，因此被大量文献报道应用在DSSC[10-18]。FenLi等人报道了采用水热法制备了3μm长TiO2纳米棒阵列，经过TiCl4进一步处理优化后电池获得了1.74％的PCE[19]。Feng等人第一次报道采用水热法制备了5μm长TiO2纳米线，制备的电池获得了5.02％的PCE[20]。随后Liu等人采用一种简单的水热法制备了3μm长TiO2纳米棒阵列，经过TiCl4进一步处理优化后电池获得了3％的PCE[21]。然而这种一维结构的纳米棒/纳米线由于比表面积不大，导致染料负载不足，使得基于这种结构的DSSC的效率基本上都低于6％。因此，制备具有大比表面积的一维TiO2纳米棒阵列将成为高效率敏化太阳能电池的关键因素。基于上述理由，提出本申请。【参考文献】[1]B.O’regan,M.Grfitzeli,Alow-cost,high-efficiencysolarcellbasedondye-sensitized.nature1991,353(6346),737.[2]M.Photoelectrochemicalcells.Nature2001,414(6861),338.[3]W.Guoetal.,Optical-fiber/TiO2-nanowire-arrayshybridstructureswithtubularcounterelectrodefordye-sensitizedsolarcell.NanoEnergy2012,1(1),176.[4]N.Robertson,OptimizingDyesforDye-SensitizedSolarCells.AngewandteChemieInternationalEdition2006,45(15),2338.[5]M.Recentadvancesinsensitizedmesoscopicsolarcells.Accountsofchemicalresearch2009,42(11),1788.[6]A.Hagfeldt,G.Boschloo,L.Sun,L.Kloo,H.Pettersson,Dye-sensitizedsolarcells.Chemicalreviews2010,110(11),6595.[7]H.J.Snaith,Estimatingthemaximumattainableefficiencyindye-sensitizedsolarcells.AdvancedFunctionalMaterials2010,20(1),13.[8]M.Cass,A.B.Walker,D.Martinez,L.Peter,Grainmorphologyandtrappingeffectsonelectrontransportindye-sensitizednanocrystallinesolarcells.TheJournalofPhysicalChemistryB2005,109(11),5100.[9]J.VandeLagemaat,N.-G.Park,A.Frank,Influenceofelectricalpotentialdistribution,chargetransport,andrecombinationonthephotopotentialandphotocurrentconversionefficiencyofdye-sensitizednanocrystallineTiO2solarcells:astudybyelectricalimpedanceandopticalmodulationtechniques.TheJournalofPhysicalChemistryB2000,104(9),2044.[10]K.Zhu,N.R.Neale,A.Miedaner,A.J.Frank,Enhancedcharge-collectionefficienciesandlightscatteringindye-sensitizedsolarcellsusingorientedTiO2nanotubesarrays.Nanoletters2007,7(1),69.[11]J.Zhangetal.,TransferandassemblyoflargeareaTiO2nanotubearraysontoconductiveglassfordyesensitizedsolarcells.JournalofpowerSources2014,247,807.[12]D.Kim,A.Ghicov,S.P.Albu,P.Schmuki,Bamboo-typeTiO2nanotubes:improvedconversionefficiencyindye-sensitizedsolarcells.JournaloftheAmericanChemicalSociety2008,130(49),16454.[13]B.Wangetal.,PowerconversionefficiencyenhancementofvarioussizeCdSquantumdotsanddyeco-sensitizedsolarcells.InternationalJournalofHydrogenEnergy2013,38(36),16733.[14]X.Wangetal.,DualrolesofZnSthinlayersinsignificantphotocurrentenhancementofZnO/CdTenanocablearraysphotoanode.ACSappliedmaterials&interfaces2013,5(8),3312.[15]Y.Huetal.,SynthesisandphotoelectrochemicalresponseofCdSquantumdot-sensitizedTiO2nanorodarrayphotoelectrodes.Nanoscaleresearchletters2013,8(1),1.[16]Q.Jiangetal.,EnhancedelectronextractionusingSnO2forhigh-efficiencyplanar本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一维超长TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)制备种子层：在透明导电基底表面制备TiO2种子层；(2)水热制备TiO2纳米棒：将步骤(1)制备有TiO2种子层的透明导电基底置于由去离子水、浓盐酸和四氯化钛组成的纳米棒前驱体生长液中，然后在150℃条件下水热反应10～12h，反应结束后，冷却至室温、取出、洗净、晾干后置于马弗炉中进行退火处理；其中：所述去离子水、浓盐酸和四氯化钛的体积比为30：30：1～5；所述退火处理条件为：退火温度400～600℃，退火时间1～3h；(3)水热刻蚀：将步骤(2)制备有TiO2纳米棒的透明导电基底置于由去离子水和浓盐酸组成的刻蚀反应液中，然后在150℃条件下水热反应6～10h，反应结束后，冷却至室温、取出、洗净、晾干后置于马弗炉中进行退火处理，即可获得本专利技术所述的一维超长TiO2纳米棒阵列；其中：所述去离子水与浓盐酸的体积比为1：1；所述退火处理条件为：退火温度400～600℃，退火时间1～3h。

【技术特征摘要】
1.一维超长TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)制备种子层：在透明导电基底表面制备TiO2种子层；(2)水热制备TiO2纳米棒：将步骤(1)制备有TiO2种子层的透明导电基底置于由去离子水、浓盐酸和四氯化钛组成的纳米棒前驱体生长液中，然后在150℃条件下水热反应10～12h，反应结束后，冷却至室温、取出、洗净、晾干后置于马弗炉中进行退火处理；其中：所述去离子水、浓盐酸和四氯化钛的体积比为30：30：1～5；所述退火处理条件为：退火温度400～600℃，退火时间1～3h；(3)水热刻蚀：将步骤(2)制备有TiO2纳米棒的透明导电基底置于由去离子水和浓盐酸组成的刻蚀反应液中，然后在150℃条件下水热反应6～10h，反应结束后，冷却至室温、取出、洗净、晾干后置于马弗炉中进行退火处理，即可获得本发明所述的一维超长TiO2纳米棒阵列；其中：所述去离子水与浓盐酸的体积比为1：1；所述退火处理条件为：退火温度400～600℃，退火时间1～3h。2.根据权利要求1所述的一维超长TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于：步骤(2)中：首先，按配比将去离子水、浓盐酸搅拌均匀后，在保持搅拌的同时逐滴加入四氯化钛，继续搅拌均匀得到纳米棒前驱体生长液，倒入水热反应釜内胆中；然后将N片制备有TiO2纳米棒的透明导电基底导电面朝下固定在聚四氟乙烯支架上，再将支架斜靠在所述水热反应釜内胆侧壁，最后密封反应釜后进行水热反应。3.根据权利要求2所述的一维超长TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于：步骤(3)中：首先按配比将去离子水、浓盐酸搅拌均匀得到刻蚀反应液；然后将步骤(2)获得的N片制备有TiO2种子层的透明导电基底导电面朝下固定在聚四氟乙烯支架上，再将支架斜靠在所述水热反应釜内胆侧壁，最后密封反应釜后进行水热反应。4.根据权利要求1所述的一维超长TiO2纳米棒阵列的制备方法，其特征在于：步骤(1)所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王浩，万经树，张军，桃李，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42