納米棒光陽極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，特別涉及一種Li摻雜TiO2 納米棒光陽極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 染料敏化太陽能電池具有價(jià)格低廉、制作工藝簡單，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未 來太陽能電池的主體。但是，染料敏化太陽能電池轉(zhuǎn)換效率較低的問題是該技術(shù)推廣應(yīng)用 的瓶頸。采用一維納米陣列作為太陽能染料敏化電池的光陽極材料，電子在垂直于導(dǎo)電基 底的單晶陣列結(jié)構(gòu)中傳輸具有極高的傳輸速率和最低損耗，能夠減少電子傳輸時(shí)間，有利 于提高電池轉(zhuǎn)化效率。然而事實(shí)并非如此，眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用如圖1所示的一維單晶 納米棒陣列作為光陽極所制得的染料敏化太陽電池光電效率仍然較低。分析其原因如下： (1)單位襯底面積上納米棒陣列的表面積相對較小，吸附染料數(shù)量較小，電子產(chǎn)生數(shù)量較 小，（2)高度有序的陣列是開放性的陣列，不利于光吸收，也影響電子的產(chǎn)生。
[0003] 在眾多的氧化物半導(dǎo)體中，二氧化鈦由于其生物和化學(xué)穩(wěn)定性、強(qiáng)氧化性、價(jià)格低 廉、能保持長期穩(wěn)定性、抗光腐蝕和化學(xué)腐蝕性，而且在染料敏化太陽能電池中，已經(jīng)被驗(yàn) 證TiO2是最佳的半導(dǎo)體材料。目前的研宄除了對納米TiO2光陽極薄膜進(jìn)行微結(jié)構(gòu)調(diào)控來 提高其光電性能以外，金屬離子摻雜可以改變TiO2中深能級結(jié)構(gòu)，深能級能夠形成捕獲中 心，尤其低于Ti4+的金屬離子捕獲空穴，有效抑制電子-空穴的復(fù)合，提高電子轉(zhuǎn)移速度，降 低電子-空穴的復(fù)合幾率，提高光子利用率。
[0004] 目前合成TiO2納米棒陣列的方法主要有水熱法、模板法、溶膠凝膠方法等。其中模 板法的缺點(diǎn)是制備完成后需要用化學(xué)方法除去模板，該方法工藝復(fù)雜，而且化學(xué)除去模板 過程對于產(chǎn)品的形態(tài)和性能有所影響。溶膠凝膠方法是現(xiàn)在應(yīng)用較多的一種納米材料制備 方法，該方法反應(yīng)時(shí)間較長，所得一維納米陣列的形貌不易控制。水熱法由于反應(yīng)在水溶液 中進(jìn)行，反應(yīng)溫度較低，設(shè)備簡單，便于自動(dòng)化生產(chǎn)，適合大規(guī)模生產(chǎn)而備受重視，但是水熱 法反應(yīng)溫度較低，不利于金屬元素?fù)诫s。因此單獨(dú)的水熱合成方法很難實(shí)現(xiàn)110 2的Li元 素的均勻摻雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種Li摻雜1102納米棒光陽極的制備方 法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)1102納米棒中Li元素的均勻摻雜，提高納米棒的致密度，采用該方法 制備的Li摻雜1102納米棒光陽極能夠提高電子轉(zhuǎn)換速度，降低電子-空穴的復(fù)合幾率，提 高光電轉(zhuǎn)換效率和電池轉(zhuǎn)換效率。
[0006] 為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0007] 一種Li摻雜TiO2納米棒光陽極的制備方法，包含步驟如下：
[0008] 1、取導(dǎo)電基片放入無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，然后用去離子水沖洗干凈，放入干 燥箱中干燥后取出備用；
[0009] 2、將鈦酸四正丁酯、硝酸鋰、鹽酸和去離子水按一定比例混合配制成反應(yīng)溶液，將 配置好的反應(yīng)溶液用玻璃棒充分?jǐn)嚢柚敝练磻?yīng)溶液由白色變?yōu)闊o色透明為止；所述反應(yīng)溶 液中鹽酸和去離子水作為溶劑，其體積比為1 :1~1. 2 :1，硝酸鋰和鈦酸四正丁酯作為溶 質(zhì)，其原子百分比為0.01 :1~0.05 :1 ;溶液濃度為1.6~2.0% ;
[0010] 3、將清洗干燥后的導(dǎo)電基片以導(dǎo)電面朝下放入反應(yīng)釜中，將配制好的反應(yīng)溶液緩 慢注入反應(yīng)釜中；然后對反應(yīng)釜中的反應(yīng)溶液施加脈沖電磁場處理，處理時(shí)間為30~60s， 脈沖電壓為800~900V，脈沖頻率為5~7Hz;
[0011] 4、處理后將密封好的反應(yīng)釜放入恒溫干燥箱，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為170~190°C，反應(yīng) 10~13h后在導(dǎo)電基片表面形成一層TiCV薄膜，取出反應(yīng)爸，降溫至室溫后取出導(dǎo)電基片， 用去離子水沖洗掉導(dǎo)電基片表面的白色沉淀和多余的離子，將其放入烘箱中干燥后取出；
[0012] 5、將制備好的TiCV薄膜刮成所需面積大小，即得所要制備的Li摻雜TiO2納米棒 光陽極。
[0013] 優(yōu)選的是，所述導(dǎo)電基片為FTO導(dǎo)電玻璃。
[0014] 優(yōu)選的是，所述鹽酸的質(zhì)量濃度為36%~38%。
[0015] 優(yōu)選的是，所述步驟1中導(dǎo)電基片放入無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗20-30min。
[0016] 優(yōu)選的是，所述步驟3中將配置好的反應(yīng)溶液使用玻璃棒引流緩慢注入反應(yīng)釜 中。
[0017] 優(yōu)選的是，所述步驟3中將配制好的反應(yīng)溶液注入反應(yīng)釜時(shí)填充度控制在60%~ 70%〇
[0018] 本發(fā)明的有益效果是：
[0019] (1)采用鋰摻雜TiO2作為光陽級，金屬鋰離子摻雜可以改變TiO2中雜質(zhì)能級及深 能級結(jié)構(gòu)，株能級能夠形成捕獲中心，能夠捕獲空穴，有效抑制電子 -空穴的復(fù)合，提尚電 子轉(zhuǎn)移速度，降低電子-空穴的復(fù)合幾率，提高光電轉(zhuǎn)換效率。
[0020] (2)利用致密的、封閉型的一維1102納米棒陣列作為光陽極，不僅可以提高電子傳 輸速率，也可以提高染料吸附面積，增加光吸收，進(jìn)一步提高電池轉(zhuǎn)換效率。
[0021] (3)通過采用脈沖電磁場輔助水熱法合成Li摻雜二氧化鈦納米棒，能夠?qū)崿F(xiàn)Li元 素的有效均勻摻雜，提高納米棒的致密度，納米棒陣列的堆疊，增加太陽光的散射，有利于 光吸收，從而提高染料敏化太陽能電池效率。
[0022] (4)通過采用脈沖電磁場輔助水熱法合成Li摻雜二氧化鈦納米棒，該方法能耗 低、系統(tǒng)操作簡單、運(yùn)行費(fèi)用低、設(shè)備占地面積小、參數(shù)易調(diào)節(jié)，對其所處理的對象以及周圍 環(huán)境沒有污染，是一種比較清潔環(huán)保的處理方法。
【附圖說明】
[0023] 圖1是未摻雜Ti02納米棒陣列的SEM圖像。
[0024] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的Li摻雜TiO2納米棒陣列的SEM圖像。
[0025] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例2制備的Li摻雜TiO2納米棒陣列的SEM圖像。
[0026] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例3制備的Li摻雜TiO2納米棒陣列的SEM圖像。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 實(shí)施例I
[0028] 本發(fā)明涉及的一種Li摻雜TiO2納米棒光陽極的制備方法，包含步驟如下：
[0029] 1、清洗基片
[0030] 取導(dǎo)電基片放入無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗20min，然后用去離子水沖洗干凈，放入 干燥箱中干燥后取出備用。所述導(dǎo)電基片可采用FTO導(dǎo)電玻璃、ITO導(dǎo)電玻璃、PET導(dǎo)電塑 料等材料，作為優(yōu)選，所述導(dǎo)電基片為FTO導(dǎo)電玻璃。
[0031] 2、配置反應(yīng)溶液
[0032] 將鈦酸四正丁酯，硝酸鋰、鹽酸和去離子水按一定比例混合配制成反應(yīng)溶液，將配 置好的反應(yīng)溶液用玻璃棒充分?jǐn)嚢柚敝练磻?yīng)溶液由白色變?yōu)闊o色透明為止。所述反應(yīng)溶液 中鹽酸和去離子水作為溶劑，其體積比為1 :1 ;硝酸鋰和鈦酸四正丁酯作為溶質(zhì)，其原子百 分比為0. 01 :1 ;反應(yīng)溶液的溶液濃度為1. 6%。所述鹽酸的質(zhì)量濃度為36%~38%。
[0033] 3、脈沖電磁場處理
[0034] 將清洗干燥后的導(dǎo)電基片以導(dǎo)電面朝下放入反應(yīng)釜中，將配制好的反應(yīng)溶液使用 玻璃棒引流緩慢注入反應(yīng)Il中，填充度控制在60%;然后對反應(yīng)爸中的反應(yīng)溶液施加脈沖 電磁場處理，處理時(shí)間為30s，脈沖電壓為800V，脈沖頻率為5Hz。
[0035] 4、處理后將密封好的反應(yīng)釜放入恒溫干燥箱，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為170°C，反應(yīng)時(shí)間為 l〇h，在導(dǎo)電基片表面形成一層TiCV薄膜；然后取出反應(yīng)釜，降溫至室溫后取出導(dǎo)電基片，用 去離子水沖洗掉導(dǎo)電基片表面的白色沉淀和多余的離子，將其放入烘箱中干燥后取出。
[0036] 5、最后將制備好的TiO2薄膜刮成所需面積大小，S卩得所要制備的Li慘雜TiO2納 米棒光陽極。所得Li摻雜TiO2納米棒陣列的SEM圖像，如圖2所示。從圖2中可以觀察 到，通過采用脈沖電磁場輔助水熱法合成Li摻雜二氧化鈦納米棒，能夠?qū)崿F(xiàn)Li元素的有效 均勻摻雜，提高