專利名稱：：摻雜金屬的染料敏化TiO₂納晶薄膜光電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池的Ti02納晶薄膜光電極的制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及由含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體制備摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極的方法。
背景技術(shù)：
：一方面，在染料敏化太陽能電池中，納米尺度的Ti02半導(dǎo)體由于具有合適的禁帶寬度、耐光腐蝕性能好、光電轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)而于近年來得到了廣泛應(yīng)用。染料敏化Ti02納晶薄膜由Ti02納晶顆粒相互連接形成多孔網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)既提供了電子輸運(yùn)通道，又提供了供染料吸附的大比表面積。吸附在納晶薄膜表面的光敏分子染料吸收光能是染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)換的前提，提高光吸收效率是提高電池光電轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要關(guān)鍵。另一方面，改進(jìn)Ti02納晶多孔薄膜電極以進(jìn)一步提高染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率也開始成為人們的研究熱點(diǎn)。染料敏化太陽能電池中，敏化分子染料受光激發(fā)產(chǎn)生電子，光生電子注入到Ti02導(dǎo)帶中，然后由導(dǎo)帶通過外電路傳輸從而形成光電流；在此過程中保證電子在納晶薄膜內(nèi)的高速傳輸是影響光電轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要的因素。摻雜金屬的Ti02納晶顆粒一方面可以改變半導(dǎo)體的性能，作為施主提供更多的載流子進(jìn)而提高導(dǎo)電率；另一方面可以改變Ti02能帶的位置進(jìn)而提高光電壓。目前文獻(xiàn)報(bào)道中的金屬摻雜廣泛應(yīng)用在光催化領(lǐng)域，如"J.Wolfenstine,J丄.Allen,ElectricalconductivityandchargecompensationinTadopedLi4Ti5012"，"Zhao.Jl，Wang.XX,Kang.YR,PhotoelectrochemicalactivitiesofW-dopedtitaniananotubearraysfabricatedbyanodization"，"Kim.SW,Khan.R，Kim.TJ，Synthesis,characterization,andapplicationofZr,Sco-dopedTiO2asvisibleactivephotocatalyst",但是還未曾有人應(yīng)用到太陽能電池領(lǐng)域。因此本發(fā)明的首要出發(fā)點(diǎn)是采用含有摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體制備納晶薄膜電極，在此基礎(chǔ)上通過添加具有光散射性能的大顆粒Ti02來增加納晶薄膜的光散射性能，從而提高了Ti02納晶薄膜電極的吸光效率，進(jìn)而提高光電轉(zhuǎn)換效率。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于用水熱合成的方法制備得到摻雜金屬的Ti02納晶顆粒，將其應(yīng)用到染料敏化太陽能體系中，并通過添加具有光散射性能的大顆粒Ti02來提高光電轉(zhuǎn)換效率，從而提供一種摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極的制備方法。在本發(fā)明中，為了把金屬摻雜劑摻入到半導(dǎo)體化合物Ti02的晶格中，在鈦鹽溶液水解的過程中，就加入了金屬摻雜劑進(jìn)行共水解。本發(fā)明摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極的制備方法包括以下步驟(1)將鈦鹽與溶劑混合配制成鈦鹽溶液，將金屬摻雜劑和溶劑混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬含量是鈦鹽質(zhì)量的0.1%5%，優(yōu)選為1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，150°C240°C(優(yōu)選在180°C)下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是4小時(shí)24小時(shí)，優(yōu)選為12小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量1%50X的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nm的大顆粒TiO2，優(yōu)選為10°%，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體(用涂敷法或其它制膜方法如濺射、電沉積、化學(xué)沉積、機(jī)械壓制或絲網(wǎng)印刷)均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極;(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為450'C下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80'C的烘箱中加熱l小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xlO—4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。步驟(1)的將鈦鹽與溶劑混合配制鈦鹽溶液，其中鈦鹽與溶劑的體積比為5:謂50:100，體積比優(yōu)選為10:100。步驟(3)的涂敷是在清洗干凈的導(dǎo)電基底上涂敷一層或多層含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體，構(gòu)成單層光散射層或多層光散射層。所述的鈦鹽非限制性地選自異丙氧醇鈦，鈦酸四丁酯，鈦酸四異丙酯，鈦酸四已酯，四氯化鈦中的一種。優(yōu)選為鈦酸四丁酯。所述的溶劑非限制性地選自正丁醇，異丙醇，無水乙醇，水中的一種或一種以上的混合物。優(yōu)選為正丁醇。所述的金屬摻雜劑非限制性的選自釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鑭(La)、錫(Sn)、鋅(Zn)、釕(Ru)或銠(Rh)的酯化物或氯化物中的一種或一種以上的混合物。優(yōu)選為鉭酸丁酯和氯化錫的混合物。所述的具有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02的粒徑為25nm。非限制性地優(yōu)選商品Ti02粉末(德國Degussa公司生產(chǎn)的P25或其它非商品納晶7102顆粒)。所述的導(dǎo)電基底可為慘氟的Sn02導(dǎo)電玻璃(FTO)、摻銦的Sn02導(dǎo)電玻璃(ITO)或鈦金屬基底。本發(fā)明得到的薄膜光電極是由混有摻雜金屬的Ti02納晶顆粒和具有光散射性能的大顆粒Ti02的膠體在導(dǎo)電基底上涂敷并進(jìn)行熱處理后形成的多孔結(jié)構(gòu)納晶薄膜光電極。一方面，金屬摻雜后，不但增加了載流子的數(shù)量從而明顯提高了導(dǎo)電率，而且可以改變Ti02能帶的位置進(jìn)而提高光電壓，另一方面，大顆粒Ti02的引進(jìn)增強(qiáng)了光散射和氧化還原離子的擴(kuò)散，進(jìn)而一定程度上改善了Ti02納晶薄膜光電極的吸光效率。這種多孔結(jié)構(gòu)納晶薄膜具有高導(dǎo)電率和好的光散射性能；而且制備方法簡單，易于操作，特別適用于染料敏化Ti02納晶薄膜光電極的工業(yè)化生產(chǎn)制備，因而大大擴(kuò)展了染料敏化Ti02納晶薄膜太陽能電池的應(yīng)用前景。所制備的Ti02納晶薄膜光電極可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池及光催化電極等領(lǐng)域。本發(fā)明制備的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極的光電性能優(yōu)異，具有高的光電流密度16.75mAcn^和高光電轉(zhuǎn)換效率8.33n/c)。具體實(shí)施例方式本發(fā)明制備的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極特別適用于染料敏化納晶薄膜太陽能電池中作為工作電極。本發(fā)明將通過下面的實(shí)施例進(jìn)行舉例說明。在列舉實(shí)施例之前，先對各實(shí)施例中均使用的具有共性的方法作以描述，然后在各實(shí)施例中就不再對這些共性的方法重復(fù)描述了。膠體的涂敷方法將清洗干凈的導(dǎo)電基底的兩邊用膠帶紙固定，用玻璃棒蘸取少量膠體并將其均勻地涂到導(dǎo)電基底上，制備Ti02納晶薄膜光電極。涂膜時(shí)用膠帶紙的厚薄和重復(fù)涂敷的次數(shù)控制Ti02納晶薄膜光電極的厚度。本發(fā)明摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極的制備方法將涂好的Ti02薄膜電極在空氣中自然晾干。然后在鈦鹽溶液中提拉浸洗，自然晾干后放入馬弗爐中450t:熱處理30分鐘。將熱處理過的Ti02薄膜在溫度為80°C的烘箱中加熱1小時(shí)。隨后將電極浸入5xlO"M4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4,4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。測量方法用染料4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2'-聯(lián)吡咬—4，4'-二羧酸)合釕(II))敏化本發(fā)明中制備的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極作為工作電極，用鉑片作為對電極。用含有0.5MLil、0.05M12和0.5M四特丁基吡啶的三甲氧基丙腈溶液作為電解質(zhì)，組裝成染料敏化太陽能電池進(jìn)行性能測量。電池的光電性能用計(jì)算機(jī)控制的恒電位儀/恒電流儀(Princeton,Model273，EG&G)在室溫下測量。光源使用太陽能模擬器(Newport,Oriel,91160-1000)入射光強(qiáng)100mW/cm2，光照面積0.2cm2。除非另有說明，本發(fā)明光電性能的測量都是在室溫(25°C)下進(jìn)行的。測量結(jié)果見表1。實(shí)施例1(1)將鈦酸四丁酯與正丁醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為10:100)，將鉭酸丁酯和正丁醇混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬鉭含量是鈦鹽質(zhì)量的1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，180'C下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是4小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量1%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nm的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為45(TC下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80"C的烘箱中加熱l小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xlO—4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例2(1)將鈦酸四丁酯與正丁醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為10:100)，將氯化錫和正丁醇混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬錫含量是鈦鹽質(zhì)量的5%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，24(TC下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是4小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量10%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nm的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為450'C下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80。C的烘箱中加熱1小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xlO—4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例3(1)將鈦酸四丁酯與正丁醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為10:100)，將氯化錫、鉭酸丁酯和正丁醇混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬錫含量是鈦鹽質(zhì)量的1%、混合液中的金屬摻雜劑中的金屬鉭含量是鈦鹽質(zhì)量的1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，18(TC下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是12小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量10%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nm的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti()2薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為45(TC下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到7102納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80'C的烘箱中加熱l小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xl(T4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的慘雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例4(1)將鈦酸四丁酯與正丁醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為10:100)，將鉭酸丁酯和正丁醇混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬鉭含量是鈦鹽質(zhì)量的0.1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，15(TC下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是4小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12°%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量10%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nm的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為45(TC下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80。C的烘箱中加熱l小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xlO—4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例5(1)將鈦酸四丁酯與正丁醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為10:100)，將鉭酸丁酯和正丁醇混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬鉭含量是鈦鹽質(zhì)量的1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，180'C下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是24小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量50%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nrn的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒7102和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為450'C下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80"C的烘箱中加熱1小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xlO'4M的4,4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例6將實(shí)施例3中步驟(3)的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上兩遍。制得兩層膜結(jié)構(gòu)的Ti02納晶薄膜電極。將制得的兩層膜結(jié)構(gòu)的Ti02納晶薄膜電極在溫度為8(TC的烘箱中加熱1小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xl0"M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例7(1)將異丙氧醇鈦與異丙醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為50:100)，將鉭酸丁酯和水混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬鉭含量是鈦鹽質(zhì)量的1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，18(TC下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是24小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量50%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nrn的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為45(TC下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80'C的烘箱中加熱l小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xl(T4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極。實(shí)施例8(1)將異丙氧醇鈦與異丙醇混合配制成鈦鹽溶液(體積比為5:100)，將鉭酸丁酯和異丙醇混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬鉭含量是鈦鹽質(zhì)量的1%;反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，18(TC下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是24小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的Ti02膠體中摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的質(zhì)量百分含量(固含量)達(dá)到12%;(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量50%的具有光散射效應(yīng)粒徑為25nm的大顆粒Ti02，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體用涂敷法均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得Ti02薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的Ti02薄膜電極用步驟(l)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為450'C下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到Ti02納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的Ti02納晶薄膜電極在溫度為80'C的烘箱中加熱l小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5xlO—4M的4，4'-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2，-聯(lián)吡啶-4，4，-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中12小時(shí)后取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即可制得本發(fā)明的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極表1使用本發(fā)明制備的摻雜金屬的染料敏化Ti02納晶薄膜光電極和鉑對<table>complextableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>填充因子FF=VmXIm/VocXISC它表示了太陽能電池的輸出電能的能力。(其中"Vm代表的是峰值電壓，Im代表的是峰值電流，Voc代表的是開路光電壓，Isc代表的是短路光電流"。權(quán)利要求1.一種摻雜金屬的染料敏化TiO2納晶薄膜光電極的制備方法，其特征是，該方法包括以下步驟(1)將鈦鹽與溶劑混合配制成鈦鹽溶液，將金屬摻雜劑和溶劑混合配制成金屬摻雜劑溶液；然后將鈦鹽溶液與金屬摻雜劑溶液混合進(jìn)行水解反應(yīng)，其中，混合液中的金屬摻雜劑中的金屬含量是鈦鹽質(zhì)量的0.1％～5％；反應(yīng)后的混合液放入高壓釜中，在溫度為150℃～240℃下進(jìn)行水熱反應(yīng)，反應(yīng)時(shí)間是4小時(shí)～24小時(shí)；將水熱反應(yīng)結(jié)束后的乳濁液進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，直至得到的摻雜金屬的TiO2膠體中摻雜金屬的TiO2納晶顆粒的質(zhì)量百分含量達(dá)到12％；(2)在步驟(1)制得的摻雜金屬的TiO2膠體中，加入是膠體質(zhì)量1％～50％的具有光散射效應(yīng)的粒徑為25nm的大顆粒TiO2，配置成含有光散射效應(yīng)的大顆粒TiO2和摻雜金屬的TiO2納晶顆粒的膠體；(3)將步驟(2)得到的含有光散射效應(yīng)的粒徑為25nm的大顆粒TiO2和摻雜金屬的TiO2納晶顆粒的膠體均勻涂敷到清洗干凈的導(dǎo)電基底上，制得TiO2薄膜電極；(4)將步驟(3)制得的TiO2薄膜電極用步驟(1)中的鈦鹽溶液進(jìn)行提拉浸洗；然后在溫度為450℃下進(jìn)行熱處理30分鐘，降溫至室溫后得到TiO2納晶薄膜電極；(5)將步驟(4)得到的TiO2納晶薄膜電極在溫度為80℃的烘箱中加熱1小時(shí)，隨后將電極浸入濃度為5×10-4M的4，4’-二羧酸聯(lián)吡啶釕(順二硫氰根-雙(2，2’-聯(lián)吡啶-4，4’-二羧酸)合釕(II))的乙醇溶液中，取出，用無水乙醇沖洗后晾干，即制得摻雜金屬的染料敏化TiO2納晶薄膜光電極；所述的金屬摻雜劑選自釩、鈮、鉭、鑭、錫、鋅、釕或銠的酯化物或氯化物中的一種或一種以上的混合物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)的將鈦鹽與溶劑混合配制鈦鹽溶液，其中鈦鹽與溶劑的體積比為5:10050:100。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征是鈦鹽與溶劑的體積比為10:100。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)混合液中的金屬摻雜劑中的金屬含量是鈦鹽質(zhì)量的1%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟(1)是在18(TC下進(jìn)行水熱反應(yīng)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是在步驟(1)制得的摻雜金屬的Ti02膠體中，加入是膠體質(zhì)量10%的具有光散射效應(yīng)的粒徑為25nm的大顆粒Ti02。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是步驟(3)的涂敷是在清洗干凈的導(dǎo)電基底上涂敷一層或多層含有光散射效應(yīng)的粒徑為25nm的大顆粒Ti02和摻雜金屬的Ti02納晶顆粒的膠體。8.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征是所述的鈦鹽選自異丙氧醇鈦，鈦酸四丁酯，鈦酸四異丙酯，鈦酸四已酯，四氯化鈦中的一種。9.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其特征是所述的溶劑選自正丁醇，異丙醇，無水乙醇，水中的一種或一種以上的混合物。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是所述的金屬摻雜劑是鉭酸丁酯和氯化錫的混合物。全文摘要本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池的TiO₂納晶薄膜光電極的制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及摻雜金屬的染料敏化TiO₂納晶薄膜光電極的制備方法。本發(fā)明的薄膜光電極是由混有摻雜金屬的TiO₂納晶顆粒和具有光散射性能的大顆粒TiO₂的膠體在導(dǎo)電基底上涂敷并進(jìn)行熱處理后形成的多孔結(jié)構(gòu)納晶薄膜光電極。一方面，金屬摻雜后，不但增加了載流子的數(shù)量從而明顯提高了導(dǎo)電率，而且可以改變TiO₂能帶的位置進(jìn)而提高光電壓，另一方面，大顆粒TiO₂的引進(jìn)增強(qiáng)了光散射和氧化還原離子的擴(kuò)散，進(jìn)而一定程度上改善了TiO₂納晶薄膜光電極的吸光效率。本發(fā)明制備方法簡單，易于操作，特別適用于染料敏化TiO₂納晶薄膜光電極的工業(yè)化生產(chǎn)制備。文檔編號H01L51/48GK101354971SQ20081022224公開日2009年1月28日申請日期2008年9月12日優(yōu)先權(quán)日2008年9月12日發(fā)明者佳劉,張敬波,方艷艷,原林,檀偉偉申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所