專利名稱：利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法及其在制備染料敏化太陽能電池中的應用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，具體涉及一種利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法及其在制備染料敏化太陽能電池中的應用。
背景技術(shù)：
從太陽能電池產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢看，雖然目前晶體硅電池仍然占據(jù)主要地位， 但是薄膜電池未來發(fā)展前景更為看好。首先，薄膜電池成本便宜，裝載至光伏系統(tǒng)后整體價格和其它能源相比劣勢更小，一旦國家補貼政策達到較高水平，光電產(chǎn)業(yè)裝機需求將會得到很大釋放，而這些更多選擇會是在薄膜電池領(lǐng)域；其次，從產(chǎn)業(yè)政策上看，薄膜電池已經(jīng)進入到我國電子信息產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃的重點條目，是我國未來重點發(fā)展的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。染料敏化太陽能電池(Dye-sensitized Solar Cell, DSSC)最吸引人的特點是其低廉的成本和環(huán)境友好的工藝，且性能穩(wěn)定具有遠大的應用前景。1991年Gratzel把高比表面的TiO2應用在染料敏化太陽能電池上，其光電轉(zhuǎn)化效率達到7%以上；1993年Gratzel又將其提高到10% ；1998年，Gratzel又采用有機固體空穴傳輸材料代替液態(tài)電解質(zhì)制備染料敏化太陽能電池，單色光轉(zhuǎn)換效率達到33%。目前高比表面的二氧化鈦比表面積在50-80cm2/g之間，對染料分子的吸收有限， 導致制備成的染料敏化太陽能電池開路電壓較小，往往要采取多個電池串聯(lián)，即便如此也使得太陽能面板的蝕刻處理工藝變得復雜，不利于成本的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的解決現(xiàn)有二氧化鈦比表面積小的問題，是提供一種利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法。本發(fā)明的另一目的是提供上述制備方法在制備染料敏化太陽能電池中的應用。本發(fā)明實現(xiàn)上述目的采用如下技術(shù)方案，
采用嵌段聚合物為模板制備介孔二氧化鈦，該方法包括如下步驟
(1)模板的生成將聚(乙二醇)_嵌-聚(丙二醇)_嵌-聚(乙二醇)加入水中，再加入氟化銨、三甲基苯，攪拌均勻，得模板溶液；
(2)材料的生成向步驟(I)所得到的模板溶液中加入正硅酸四乙酯和異丙醇鈦，攪拌均勻，然后移入高壓釜，在110 130°C下加熱20 26小時，過濾，烘干得粉末；
(3)模板的去除將步驟(2)得到的粉末加入到濃硝酸和雙氧水的混合液中，氧化除去粉末中的有機物，得到介孔二氧化鈦。進一步，所述聚(乙二醇)_嵌-聚(丙二醇)_嵌-聚(乙二醇)與氟化銨、三甲基苯的質(zhì)量比為I (0. 01 0. 012) (0. 7 ~ 0. 8)。進一步，所述正硅酸四乙酯與異丙醇鈦的質(zhì)量比為(0. 3 3) : I。進一步，為提高生成模板的穩(wěn)定性，可按步驟(I)得到的模板溶液體積的12 17%
3加入濃鹽酸。進一步，將去除模板后的介孔二氧化鈦用氫氟酸處理，除去材料中的硅元素，或調(diào)節(jié)硅鈦的含量比。在本發(fā)明中，所述介孔二氧化鈦并非指材料中只含二氧化鈦。具體制備過程如下
(1)模板的生成將聚(乙二醇)_嵌-聚(丙二醇)_嵌-聚(乙二醇)加入水中，再加入氟化銨、三甲基苯、濃鹽酸，在30 50°C下，攪拌40 50分鐘；
(2)材料的生成向步驟(I)所得到的模板溶液中加入正硅酸四乙酯和異丙醇鈦，在 30 50°C下，攪拌20 26小時，然后移入高壓釜，在110 130°C下加熱20 26小時后冷卻，過濾，烘干得粉末；
(3)模板的去除將步驟(2)得到的粉末加入到濃硝酸和雙氧水的混合液中，在高壓釜中，在100 105°C下氧化除去粉末中的有機物，過濾，再用氫氟酸處理后，用水洗滌，烘干得到介孔二氧化鈦。采用上述方法制得的介孔二氧化鈦的比表面積為410 218 cm2/g，平均孔徑大小為 12 20nm。進一步，上述制備介孔二氧化鈦方法在制備染料敏化太陽能電池中的應用。有益效果采用本發(fā)明方法得到的介孔材料平均孔徑大小為12 20nm，分布范圍窄，比表面積為218 410cm2/g，用該具有介孔結(jié)構(gòu)的材料制備的染料敏化太陽能電池，其開路電壓可達0. 74V、電池效率可達7. 51%、填充因子可達75. 7%。


圖I所制備的材料N2吸附脫附等溫曲線圖。圖2所制備的材料中孔徑分布圖。圖3實施例2制備的染料敏化太陽電池I-V曲線圖。圖4實施例3制備的染料敏化太陽電池I-V曲線圖。圖5實施例4制備的染料敏化太陽電池I-V曲線圖。實施方式
下面結(jié)合附圖及優(yōu)選的實施例對本發(fā)明做進一步的說明。在制備染料敏化太陽電池時，染料采用N917，電解質(zhì)或電解液為I/I3，電池的組裝技術(shù)在大多數(shù)文獻均有敘述，本發(fā)明易采用常見的組裝技術(shù)。實施例I
稱取聚(乙二醇)_嵌-聚(丙二醇)_嵌-聚(乙二醇)(CAS號9003-11-6，購自 Sigma) 5. 34g，加入173mL去離子水，依次加入61. 34mg氟化銨(NH4F)、3. 974g三甲基苯 (TMB),27. 4mL的濃HCl (36%，w/w)。在溫度為40°C、轉(zhuǎn)速為300r/min條件下攪拌45分鐘后，再加入11. 74g的正硅酸四乙酯(TEOS)和異丙醇鈦(TTIP) 4g繼續(xù)攪拌反應20小時。反應結(jié)束后將所得膠體移入高壓釜，在120°C條件下水熱20小時，過濾，70°C烘干。介孔材料的模板去除時，稱取I. 5g上述烘干粉末，加入IOmL的濃硝酸(HNO3)及7mL的雙氧水(H2O2), 在高壓釜中，100°C條件下加熱12小時，過濾，加入IOmL 0. 2-40% (質(zhì)量)的HF溶液反應10 小時，再用去離子水洗滌至濾液不再呈酸性，得到的固體70°C烘干，所得材料的比表面積為410cm2/g,平均孔徑15nm。電池結(jié)構(gòu)為ITO/介孔TiO2納米管電極并吸附有染料分子/電解質(zhì)/Pt對電極/IT0，并使用封裝樹脂將電池周邊封裝密閉電解液。制備的染料敏化太陽電池開路電壓0. 65V。實施例2
稱取聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)5. 34g，加入173mL去離子水，依次加入 61. 34mg 氟化銨(NH4F)、3. 974g 三甲基苯(TMB)、27. 4mL 的濃 HCl (36%，w/ W)。在溫度為40°C、轉(zhuǎn)速為300r/min條件下攪拌45分鐘后,再加入11. 74g的正娃酸四乙酯(TEOS)和異丙醇鈦(TTIP) 8g繼續(xù)攪拌反應26小時。反應結(jié)束后將所得膠體移入高壓釜，封閉狀態(tài)下在120°C條件下水熱20小時，過濾，70°C烘干。介孔材料的模板去除時，稱取I. 5g上述烘干粉末，加入IOmL的濃硝酸(HNO3)及7mL的雙氧水(H2O2),密封于高壓釜中， 100°C條件下加熱12小時，過濾，加入IOmL 0. 2-40%的HF溶液反應10小時，再用去離子水洗滌至濾液不再呈酸性，得到的固體70°C烘干，所得材料的比表面積為385cm2/g，平均孔徑 14nm。電池結(jié)構(gòu)為ITO/介孔TiO2納米管電極并吸附染料分子/電解質(zhì)/Pt對電極/IT0， 并使用封裝樹脂將電池周邊封裝密閉電解液。制備的敏化電池開路電壓0. 74V，電池效率 0. 51%，填充因子(FF) 68. 7%o實施例3
稱取聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)5. 34g，加入173mL去離子水，依次加入 61. 34mg 氟化銨(NH4F)、3. 974g 三甲基苯(TMB)、27. 4mL 的濃 HCl (36%，w/ W)。在溫度為40°C、轉(zhuǎn)速為300r/min條件下攪拌45分鐘后,再加入11. 74g的正娃酸四乙酯(TEOS)和異丙醇鈦(TTIP) 12 g繼續(xù)攪拌反應24小時。反應結(jié)束后將所得膠體移入高壓釜，封閉狀態(tài)下在120°C條件下水熱20小時，過濾，70°C烘干。介孔材料的模板去除時， 稱取I. 5g上述烘干粉末，加入IOmL的濃硝酸(HNO3)及7mL的雙氧水(H2O2),密封于高壓釜中，100°C條件下加熱12小時，過濾，加入IOmL 0. 2-40%的HF溶液反應10小時，再用去離子水洗滌至濾液不再呈酸性，得到的固體70°C烘干，所得材料的比表面積為315cm2/g，平均孔徑12nm。電池結(jié)構(gòu)為ITO/介孔TiO2納米管電極并吸附染料分子/電解質(zhì)/Pt對電極/ ITO,并使用封裝樹脂將電池周邊封裝密閉電解液。制備的敏化電池開路電壓0. 70V，電池效率I. 42%，填充因子75. 7%。實施例4
稱取聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)5. 34g，加入173mL去離子水，依次加入 61. 34mg 氟化銨(NH4F)、3. 974g 三甲基苯(TMB)、27. 4mL 的濃 HCl (36%，w/ W)。在溫度為40°C、轉(zhuǎn)速為300r/min條件下攪拌45分鐘后,再加入11. 74g的正娃酸四乙酯(TEOS)和異丙醇鈦(TTIP) 36 g繼續(xù)攪拌反應20小時。反應結(jié)束后將所得膠體移入高壓釜，封閉狀態(tài)下在120°C條件下水熱20小時，過濾，70°C烘干。介孔材料的模板去除時， 稱取I. 5g上述烘干粉末，加入IOmL的濃硝酸(HNO3)及7mL的雙氧水(H2O2),密封于高壓釜中，100°C條件下加熱12小時，過濾，加入IOmL 0. 2-40%的HF溶液反應10小時，再用去離子水洗滌至濾液不再呈酸性，得到的固體70°C烘干，所得材料的比表面積為218cm2/g，平均孔徑12nm。電池結(jié)構(gòu)為ITO/介孔TiO2納米管電極并吸附染料分子/電解質(zhì)/Pt對電極/ IT0,并使用封裝樹脂將電池周邊封裝密閉電解液。制備的敏化電池開路電壓0. 63V，電池效率7. 51%，填充因子71.6%。
權(quán)利要求
1.利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)模板的生成將聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)加入水中，再加入氟化銨、三甲基苯，攪拌均勻，得模板溶液；(2)材料的生成向步驟(I)所得到的模板溶液中加入正硅酸四乙酯和異丙醇鈦，攪拌均勻，然后移入高壓釜，在110 130°C下加熱20 26小時，過濾，烘干得粉末；(3)模板的去除將步驟(2)得到的粉末加入到濃硝酸和雙氧水的混合液中，氧化除去粉末中的有機物，得到介孔二氧化鈦。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，其特征在于所述聚 (乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)與氟化銨、三甲基苯的質(zhì)量比為I :(0. 01 O.012) :(0. 7 O. 8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，其特征在于所述正硅酸四乙酯與異丙醇鈦的質(zhì)量比為(O. 3 3): I。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，其特征在于按步驟(I) 得到的模板溶液體積的12 17%加入濃鹽酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，其特征在于將去除模板后的介孔二氧化鈦用氫氟酸處理，除去材料中的硅元素，或調(diào)節(jié)硅鈦的含量比。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，其特征在于所述方法制得的介孔二氧化鈦的比表面積為410 218 cm2/g，平均孔徑大小為12 20nm。
7.權(quán)利要求I所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法的應用，其特征在于所述利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法在制備染料敏化太陽能電池中的應用。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用模板法制備介孔二氧化鈦的方法，該方法包括如下步驟將聚(乙二醇)-嵌-聚(丙二醇)-嵌-聚(乙二醇)加入水中，再加入氟化銨、三甲基苯，攪拌均勻，得模板溶液；向所得到的模板溶液中加入正硅酸四乙酯和異丙醇鈦，攪拌均勻，然后移入高壓釜，在110～130℃下加熱20～26小時，過濾，烘干得粉末；將得到的粉末加入到濃硝酸和雙氧水的混合液中，氧化除去粉末中的有機物，得到介孔二氧化鈦。采用該方法得到的介孔材料孔徑大小分布范圍窄，比表面積大，用其制備的染料敏化太陽能電池，其開路電壓可達0.74V、電池效率可達7.51%、填充因子可達75.7%。
文檔編號H01G9/04GK102583529SQ201210047669
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者朱凱, 鄧蕓, 鄒志剛, 顧軍 申請人:南京大學, 南京大學昆山創(chuàng)新研究院, 昆山桑萊特新能源科技有限公司