纳米TiO_2薄膜及染料敏化太阳能电池

　　自从瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）M.Gratzel为首的研究小组发展了纳米晶体光电太阳能电池（NanocrystallinePhotoelectrochemicalSolarCell，简称NPC电池）以来，这种基于吸附染料光敏化剂的纳米晶体：氧化钛多孔薄膜的新型的光致伏打电池便以其廉价的原料和简单的制作工艺引起人们的极大重视。本文通过溶胶凝胶法在导电玻璃上镀上TiO莫，研究了不同凝胶时间，不同热处理温度等因素对电池效率的影响情况，探索了制作染料敏化太阳能电池的一些工艺条件。

　　实验方法实验步骤如下：（1）取一定量的钛酸四丁脂溶于无水乙醇中，缓慢加入少量水，用二乙醇胺作抑制剂，延缓钛酸四丁脂的强烈水解，不断搅拌得到稳定的Ti（V溶胶，最后加入不同量的聚乙二醇（分子量为600，表示为600PEG），搅拌30分钟，得到稳定、均匀、清澈透明的黄橙色溶胶。（2）使用洁净的SnO：导电玻璃作基体从溶胶前驱体中采用浸渍提拉法制备多孔Ti02薄膜，提拉速度为lmm/s.湿膜在100°C干燥5分钟，取出在空气中冷却5分钟后再重复提拉，直到获得所需的薄膜层数（或厚度）。然后将此导电玻璃放在马弗炉内100°C下保温30分钟，然后以6°C/min的升温速度升至500°C，保温1小时，最后在炉内自然冷却至室温，即得二氧化钛多孔纳米薄膜。（3）将镀有Ti02膜的导电玻璃放入钌染料中浸泡一夜（8，（12（TC）A：锐钛矿小时），在80°C烘干（15分钟），取出冷却至室温后，滴加2-3滴碘的电解质溶液，然后将一电极的导电面朝下压在二氧化钛膜上。将两片导电玻璃稍微错开，以便利用暴露在外面的导电薄膜部分作为测试电极用。

　　实验结果与讨论t〗o：主要有三种晶体形态，分别为锐钛矿、金红“和板钛矿，有光学活性的是锐钛矿印。了确定产生锐钛矿型的适宜温度，在不同温度烧结TiO：。由于SnO：导电玻璃的成本较高，叫普通玻璃作基底进行烧结并对成膜进行X射线衍射分析。在I2（rc-110（TC之间，都可能有锐钛矿结构，但从X射线图上看，在。1r-fioo°c时，ti主要呈单相锐钛矿结构。当温度高，600°c时，金红石翌相所占的比例增大，光解率降低。是烧结温度为120C的X射线衍射图，从图中可以看出，己经出现锐钛矿晶相，但结晶不完全；是550°C时烧结的x射线衍射图，结晶己经相当完全：是900°C烧结B寸的x射线衍射图，己经出现金红石相。因此，为了获得理想的锐钛矿结构，应把烧结温度控制在400°C-60CTC之间。

　　子力显微镜照片。采用溶胶-凝胶法制备出的TiO：胶体，在500- 60CTC烧结后得到了与玻璃基底粘附性能良好的纳米晶体Ti0；（90（TC）A：锐钛矿R：金红石Ti02薄膜还没有发生明显的晶化，而500-60CTC烧结时，电极中Ti2晶粒与空洞分布均匀，晶粒之间相互连接并有许多微孔，呈网状结构。由于这些微孔的存在，不仅增加了电极的比表面，使电极更多的吸附单层染料，提高电极对光的吸收系数，而且使被吸附的染料分子能在光电转换中与电解液紧密接触，从而保证在光照条件下，染料分子吸收入射光后产生的光生电子能直接传递给Ti02，同时染料分子中剩余的空穴又能迅速的被电解质抽取，从而减少复合几率和其它光电消耗，提高光响应。

　　膜，表面均匀无龟裂，纳米晶体直径为5080nm.400C烧结时，着热处理温度增高，晶粒尺寸变大，表面粗糙度增加。

　　所配前驱体溶液的凝胶时间也对TiOr薄膜的行成产生重大影响。表1是在不同凝胶时间溶胶中用浸溃提拉法所成膜制作的NPC电池的电压和电流数据。所用光源是卤钨灯（PHILIPS 230VEO300W），Ti2薄膜烧结温度为500°C，镀膜层数为5层，提拉速度为ln/s，所用电解质溶液为KI-I2.从表1中可以看出，在经过一段稳定时期后，电池的效率又会降低。实验结果表明，溶胶使用时间不应超过半年，最佳使用时间在两个月到五个月之间。

　　表1凝胶时间（月）结论1：利用溶胶-凝胆法在Sn2导电玻璃表面制得了均匀透明的Ti2薄膜，为了得到具有好的片催化作用的Ti2的锐钛矿型，烧结温度最好控制在50（TC-60（TC.提高102薄膜的烧结温度，可强化其结晶度。在热处理温度进行保温处理后，在马弗炉内匀速降温与自然冷却相比，所成的纳米晶体Ti02膜的晶粒尺寸更小，表面粗糙度增加，Ti02薄膜的光催化效率提高。

　　所配的前驱体溶液的凝胶时间对镀膜有很大影响，应把使用时间控制在半年以内。