一种ＴｉＯ２纳米花薄膜光阳极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种ＴｉＯ２纳米花薄膜光阳极及其制备方法，该光阳极的结构由普通玻璃、掺Ｆ的ＳｎＯ２透明导电膜和ＴｉＯ２纳米花薄膜组成；制备方法是采用水热合成技术，以浓盐酸、去离子水、甲苯和钛酸丁酯的混合物为反应前驱体，直接在ＦＴＯ玻璃衬底上合成ＴｉＯ２纳米花薄膜作为染料敏化太阳能电池的光阳极；通过改变反应前驱体中浓盐酸、去离子水、甲苯的比例以及钛酸丁酯的浓度，可以控制纳米花的形貌和组成纳米花的纳米棒的直径和长度；该光阳极利用ＴｉＯ２纳米线更高的光利用率和良好的电子转移特性，保障了电极具有较高的光捕获效率，提高了光生载流子的输运能力，减少了光生载流子的复合过程，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术具体涉及一种TiO2纳米花薄膜光阳极及其制备方法。
技术介绍
TiO2纳米结构材料在染料敏化太阳能电池、光电子器件、光催化剂、传感器等方面 有着广泛的应用前景，是当今纳米材料研究领域中对未来经济社会发展有重要影响的研究 对象，对其进行可控合成具有深远的意义。随着研究工作的深入，人们对纳米材料的研究越 来越强调可控性，这不仅要求制备出具有理想的晶体结构、化学成分、形貌与尺寸，而且能 将各种纳米结构有机的组装起来，可控的构筑成各种复杂的结构组件，使其具有纳米材料 独特的机械、电学、光学和化学性能，只有对某些特殊构型或性质能实现很好的控制，才能 为纳米TiO2的某些奇特性能最终达到产业化提供保障。染料敏化太阳电池(Dye-Sensitized Solar Cell，简称DSSC)是一种光电化学 太阳电池，它主要由纳米晶半导体光阳极、染料敏化剂、电解质和对电极四部分构成。其中 光阳极是DSSC电池的核心部件，其结构和组成强烈影响着电池的光伏性能，特别是转换效 率。传统的DSSC的光阳极普遍采用纳米TiO2多孔薄膜，TiO2多孔薄膜虽然能充分吸附染 料，但存在大量晶界，导致光生电子在传输过程中受到颗粒表面缺陷态能级的俘获和热释 放的影响，使电子扩散系数小，复合率增加，制约了染料敏化太阳能电池光电转换效率的提 高。而一维纳米结构如纳米线、纳米管、纳米化等能提供直接的光生电子的通路，提高电子 的扩散长度，减少电子的复合，增加电子寿命，进而提高电池的光电转换的效率。因此，直接 在透明导电玻璃衬底上(玻璃上镀有掺F的SnO2导电薄膜，简称FT0)合成TiO2纳米花薄 膜是实现其应用于染料敏化太阳能电池的关键技术。
技术实现思路
本专利技术提供了一种TiO2纳米花薄膜光阳极及其制备方法。本专利技术提供的一种TiO2纳米花薄膜光阳极，其结构由普通玻璃、掺F的SnO2透明 导电膜(FTO)、TiO2纳米花薄膜组成；第1层为普通玻璃，第2层为掺F的SnO2透明导电 膜(简称FT0)，第3层为在FTO玻璃衬底上生长的具有金红石结构的TiO2纳米花薄膜。本专利技术提供的TiO2纳米花薄膜光阳极的制备方法，其制备方法主要包括以下步 骤1)水热合成技术在FTO玻璃衬底上直接合成TiO2纳米花薄膜；2)把制备好的TiO2纳米花薄膜放入马弗炉中烧结，然后在钌配合物N719染料其 结构式为(HlBu4N)2-Cis-Ru(L1)2(NCS)2的无水乙醇溶液中浸泡24h，取出后洗去表面残留 的染料，晾干，就得到TiO2纳米花薄膜光阳极。上述步骤1)中在FTO玻璃衬底上制备TiO2纳米花薄膜的方法是将浓盐酸、去 离子水、甲苯按照浓盐酸20mL、去离子水20mL、甲苯OmL或浓盐酸5mL、去离子水5mL、甲苯 15mL或浓盐酸10mL、去离子水5mL、甲苯15mL或浓盐酸15mL、去离子水25mL、甲苯OmL的体积比例混合，磁力搅拌器搅拌5分钟，再滴入0. 3 0. SmL的钛酸丁酯，搅拌7分钟；将配好 的溶液放入带聚四氟乙烯内衬的容积为IOOmL的高压反应釜中，把清洗干净的FTO玻璃衬 底保持导电膜朝上水平放置在反应釜中，封釜；然后把反应釜放入干燥箱中加热至120 180°C进行反应，反应时间为4 20小时；反应结束后，自然冷却到室温，取出FTO玻璃，用 去离子水反复漂洗，然后在空气中自然凉干。上述步骤2)中将制备好的TiO2纳米花薄膜放入马弗炉中450°C烧结30min，然后 降温到80°C左右取出，立即放入浓度为5. OX 10_4mol/L的钌配合物N719染料无水乙醇溶 液中浸泡24h ；取出后用乙醇洗去表面残留的染料，晾干，得到TiO2纳米花薄膜光阳极。本专利技术的有益效果是在FTO玻璃衬底上合成的TiO2纳米花薄膜可直接作为染料敏化太阳能电池光阳 极，该纳米花是由四方形柱状结构的纳米棒构成的，这些TiO2纳米棒保障了电极具有较高 的光捕获效率，提高了光生载流子的输运能力，减少了光生载流子的复合过程，从而提高染 料敏化太阳能电池的光电转化效率。通过改变反应前驱物中盐酸、水和甲苯的比例、钛酸丁酯的浓度、反应时间和反应 温度，可控制组成纳米花的纳米棒的直径和长度，实现TiO2纳米花的可控生长。附图说明图1为TiO2纳米花薄膜光阳极的结构示意图。第1层为普通玻璃，第2层为掺F 的SnO2透明导电膜(FTO)，第3层为TiO2纳米花薄膜。图2、图3、图4和图6是不同工艺条件下在FTO玻璃衬底上生长的TiO2纳米花薄 膜放大1万倍的SEM图，图7是图6中局部放大3万倍的SEM图。图5的放大倍数5千倍。图2的TiO2纳米花薄膜的合成条件是甲苯OmL，水20mL，盐酸20mL，钛酸丁酯 0. 3mL，合成温度150°C，合成时间20h。图3的TiO2纳米花薄膜的合成条件是甲苯OmL，水20mL，盐酸20mL，钛酸丁酯 0. 6mL，合成温度150°C，合成时间20h。图4的TiO2纳米花薄膜的合成条件是甲苯15mL，水5mL，盐酸5mL，钛酸丁酯 0. 5mL，合成温度150°C，合成时间16h。图5的TiO2纳米花薄膜的合成条件是甲苯15mL，水5mL，盐酸10mL，钛酸丁酯 0. 5mL，合成温度150°C，合成时间20h。图6和图7的合成条件是在生长TiO2纳米花薄膜之前，把FTO玻璃在浓度为 0. lmol/L的TiCl4水溶液中80°C下浸泡30min后，可以在FTO上生长一层致密TiO2薄膜， 然后再进行水热反应制备TiO2纳米花，其合成条件是甲苯OmL，水25mL，盐酸15mL，钛酸丁 酯0. 5mL，合成温度150°C，合成时间20h。具体实施例方式1.在FTO玻璃衬底上制备TiO2纳米花薄膜。采用低温低能耗的水热合成技术在FTO玻璃衬底上制备TiO2纳米花薄膜。将浓 盐酸、去离子水、甲苯按照浓盐酸20mL、去离子水20mL、甲苯OmL或浓盐酸5mL、去离子水 5mL、甲苯15mL或浓盐酸10mL、去离子水5mL、甲苯15mL或浓盐酸15mL、去离子水25mL、甲苯OmL体积比例混合，磁力搅拌器搅拌5分钟，再滴入0. 3 0. SmL的钛酸丁酯，搅拌7分 钟。将配好的溶液放入带聚四氟乙烯内衬的容积为IOOmL的高压反应釜中，把清洗干净的 FTO玻璃衬底保持导电膜朝上水平放置在反应釜中，封釜。然后把反应釜放入干燥箱中加 热至120 180°C进行反应，反应时间为4 20小时。反应结束后，自然冷却到室温，取出 FTO玻璃，用去离子水反复漂洗，然后在空气中自然凉干。2. TiO2纳米花薄膜的可控生长。通过改变反应前驱体中浓盐酸、去离子水、甲苯的比例以及钛酸丁酯的浓度，可以 控制纳米花的形貌和组成纳米花的纳米棒的直径和长度，从而实现TiO2纳米花的可控合 成。(1)反应前驱体中浓盐酸、去离子水、甲苯的比例和总体积保持不变时，钛酸丁酯 的量从0. 3mL逐渐增加到0. 8mL,都可在FTO衬底上生长出TiO2纳米花薄膜，纳米花是由四 方形柱状结构的纳米棒构成的，纳米棒的直径随钛酸丁酯的量增加而变粗。(2)Ti02纳米花的形貌与反应前驱物中钛酸丁酯的浓度有关，当钛酸丁酯的浓度 较低时，纳米花较为疏松，钛酸丁酯浓度较高时，构成纳米花的纳米棒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＴｉＯ↓［２］纳米花薄膜光阳极，其特征在于：其结构由普通玻璃、掺Ｆ的ＳｎＯ↓［２］透明导电膜和ＴｉＯ↓［２］纳米花薄膜组成；第１层为普通玻璃，第２层为掺Ｆ的ＳｎＯ↓［２］透明导电膜，第３层ＴｉＯ↓［２］纳米花薄膜。

【技术特征摘要】
一种TiO2纳米花薄膜光阳极，其特征在于其结构由普通玻璃、掺F的SnO2透明导电膜和TiO2纳米花薄膜组成；第1层为普通玻璃，第2层为掺F的SnO2透明导电膜，第3层TiO2纳米花薄膜。2.—种权利要求1所述的TiO2纳米花薄膜光阳极的制备方法，其特征在于包括以下步骤1)水热合成技术在FTO玻璃衬底上直接合成TiO2纳米花薄膜；2)把制备好的TiO2纳米花薄膜放入马弗炉中烧结，然后在钌配合物N719染料其结构 式为(I^Bu4N)2-Cis-Ru(L1)2(NCS)2的无水乙醇溶液中浸泡24h，取出后洗去表面残留的染 料，晾干，就得到TiO2纳米花薄膜光阳极。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于上述步骤1)中在FTO玻璃衬底上制备 TiO2纳米花薄膜的方法是将浓盐酸、去离子水、甲苯按照浓盐酸20mL、去离子水20mL、甲 苯OmL或浓盐酸5mL、去离子水5mL、甲苯15mL或浓盐酸1...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏爱香，葛增娴，赵旺，刘俊，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]