本發(fā)明屬于納米材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種新型TiO2納米材料及制備方法和用途。
背景技術(shù)：
：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10～100個原子緊密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，其所表現(xiàn)的特性，例如熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。利用納米材料自身的光學(xué)特性，將其應(yīng)用在目前最為熱門的太陽能電池領(lǐng)域，成為專家學(xué)者們的研究重點。太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導(dǎo)體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照射，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產(chǎn)生電流。在物理學(xué)上稱為太陽能光伏，簡稱光伏(PV)。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學(xué)效應(yīng)工作的實施太陽能電池則還處于萌芽階段。目前多晶硅薄膜太陽能電池是太陽能電池中應(yīng)用最為廣泛、成本較低的一種，但其光電轉(zhuǎn)換效率一直無法得到有效地提升，目前是困擾該領(lǐng)域技術(shù)人員的一大難題。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的：針對目前多晶硅薄膜太陽能電池存在的問題，提供一種新型TiO2納米材料及其制備方法，將其用于制備多晶硅薄膜太陽能電池，提高其光電轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的技術(shù)方案：提供一種新型TiO2納米材料，選用納米TiO2和偶氮苯作為基本材質(zhì)，將兩者在溶劑中充分攪拌混合，將硅烷偶聯(lián)劑和質(zhì)子酸催化劑充分攪拌混合，利用硅烷偶聯(lián)劑和質(zhì)子酸催化劑對納米TiO2和偶氮苯催化偶聯(lián)，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)物在超聲波中超聲分散，制得新型TiO2納米材料，其制備方法包括：(1)將納米TiO2、偶氮苯和溶劑加入到燒杯中，以300～400r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min；(2)將硅烷偶聯(lián)劑和質(zhì)子酸催化劑在另一個燒杯中以300～400r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min，然后將混合物倒入步驟1的燒杯中，在常溫常壓下反應(yīng)3～6h；(3)待反應(yīng)結(jié)束后將其在超聲波中超聲分散1～2h，最后將底層的產(chǎn)物過濾，用大量的去離子水沖洗后干燥1h，制得新型TiO2納米材料。作為優(yōu)選，所述的硅烷偶聯(lián)劑為γ-氨丙基三乙氧基硅烷，所述的偶氮苯為4-氨基偶氮苯，所述的質(zhì)子酸催化劑為HCl、H2SO4或CH3COOH，所述的溶劑為乙醇。作為優(yōu)選，所述的納米TiO2、硅烷偶聯(lián)劑、偶氮苯、質(zhì)子酸催化劑和溶劑的摩爾比為:3～5：1:1～5:0.1～0.5:10～20。將這種新型TiO2納米材料用于制備多晶硅薄膜太陽能電池，其制備方法包括：(1)沉積新型TiO2納米材料薄膜，選用純度不小于99.9999％的P型多晶硅片作為基片，其電阻率不小于0.5Ω.cm，厚度范圍為100-300μm，采用噴涂印刷成膜工藝在P型多晶硅襯底上沉積一層新型TiO2納米材料薄膜；(2)退火處理，在通氫的真空電阻爐中進行退火處理，將步驟1含有新型TiO2納米材料薄膜的多晶硅基片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最后冷卻至常溫；(3)制備PN結(jié)和減反膜，采用磷擴散的方法對P型硅片進行重摻雜，形成PN結(jié)；采用PECVD法在新型TiO2納米材料薄膜上生長氮化硅薄膜作為減反膜；(4)采用磁控濺射工藝或絲網(wǎng)印刷工藝制作銀柵電極和鋁背電極，制得多晶硅薄膜太陽能電池。作為優(yōu)選，步驟(1)中新型TiO2納米材料薄膜厚度為50-100nm，步驟(3)中減反膜厚度為30-75nm。本發(fā)明的技術(shù)效果：1偶氮苯和硅烷偶聯(lián)劑有機部分在質(zhì)子酸催化劑作用發(fā)生反應(yīng)而連接，硅烷偶聯(lián)劑水解生成硅醇，其與納米TiO2表面發(fā)生脫水反應(yīng)而形成化學(xué)鍵，進而形成新型TiO2納米材料。2該種材料是一種有機無機復(fù)合納米材料，除具有一般納米材料的寬頻帶強吸收性外，本發(fā)明的納米材料既具有光響應(yīng)強的TiO2成分，又具有偶氮苯結(jié)構(gòu)，偶氮苯中的N元素具有孤對電子，孤對電子自由度較大，可以將TiO2響應(yīng)的光能傳導(dǎo)至多晶硅基片上，實現(xiàn)光能有效而快速的轉(zhuǎn)移；同時該材料也發(fā)生了吸收光譜的“藍移現(xiàn)象”，吸收光的頻率提高，響應(yīng)光的能量也相應(yīng)地提高了。兩點協(xié)同作用，最終提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。具體實施方式實施例1新型TiO2納米材料的制備：(1)選用3mol納米TiO2、1mol4-氨基偶氮苯和10mol乙醇加入到燒杯中，以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min；(2)將1molγ-氨丙基三乙氧基硅烷和0.1molHCl在另一個燒杯中以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min，然后將其倒入步驟1的燒杯中，在常溫常壓下反應(yīng)3h；(3)待反應(yīng)結(jié)束后將其在超聲波中超聲分散1h，最后將底層的產(chǎn)物過濾，用大量的去離子水沖洗后干燥1h，制得新型TiO2納米材料。多晶硅薄膜太陽能電池的制備：(1)沉積新型TiO2納米材料薄膜，選用純度為99.99991％的P型多晶硅片作為基片，其電阻率為0.60Ω.cm，厚度范圍為150μm，采用噴涂印刷成膜工藝在P型多晶硅襯底上沉積一層厚度為70nm的新型TiO2納米材料薄膜；(2)退火處理，在通氫的真空電阻爐中進行退火處理，將步驟1含有新型TiO2納米材料薄膜的多晶硅基片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最后冷卻至常溫；(3)制備PN結(jié)和減反膜，采用磷擴散的方法對P型硅片進行重摻雜，形成PN結(jié)；采用PECVD法在新型TiO2納米材料薄膜上生長厚度為50nm的氮化硅薄膜作為減反膜；(4)采用磁控濺射工藝或絲網(wǎng)印刷工藝制作銀柵電極和鋁背電極，制得多晶硅薄膜太陽能電池。實施例2新型TiO2納米材料的制備：(1)選用5mol納米TiO2、5mol4-氨基偶氮苯和20mol乙醇加入到燒杯中，以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min；(2)將1molγ-氨丙基三乙氧基硅烷和0.5molHCl在另一個燒杯中以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min，然后將其倒入步驟1的燒杯中，在常溫常壓下反應(yīng)6h；(3)待反應(yīng)結(jié)束后將其在超聲波中超聲分散2h，最后將底層的產(chǎn)物過濾，用大量的去離子水沖洗后干燥1h，制得新型TiO2納米材料。多晶硅薄膜太陽能電池的制備：(1)沉積新型TiO2納米材料薄膜，選用純度為99.99993％的P型多晶硅片作為基片，其電阻率為0.55Ω.cm，厚度范圍為200μm，采用噴涂印刷成膜工藝在P型多晶硅襯底上沉積一層厚度為80nm的新型TiO2納米材料薄膜；(2)退火處理，在通氫的真空電阻爐中進行退火處理，將步驟1含有新型TiO2納米材料薄膜的多晶硅基片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最后冷卻至常溫；(3)制備PN結(jié)和減反膜，采用磷擴散的方法對P型硅片進行重摻雜，形成PN結(jié)；采用PECVD法在新型TiO2納米材料薄膜上生長厚度為60nm的氮化硅薄膜作為減反膜；(4)采用磁控濺射工藝或絲網(wǎng)印刷工藝制作銀柵電極和鋁背電極，制得多晶硅薄膜太陽能電池。實施例3新型TiO2納米材料的制備：(1)選用4mol納米TiO2、3mol4-氨基偶氮苯和15mol乙醇加入到燒杯中，以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min；(2)將1molγ-氨丙基三乙氧基硅烷和0.3molHCl在另一個燒杯中以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min，然后將其倒入步驟1的燒杯中，在常溫常壓下反應(yīng)4h；(3)待反應(yīng)結(jié)束后將其在超聲波中超聲分散1.5h，最后將底層的產(chǎn)物過濾，用大量的去離子水沖洗后干燥1h，制得新型TiO2納米材料。多晶硅薄膜太陽能電池的制備：(1)沉積新型TiO2納米材料薄膜，選用純度為99.99997％的P型多晶硅片作為基片，其電阻率為0.65Ω.cm，厚度范圍為200μm，采用噴涂印刷成膜工藝在P型多晶硅襯底上沉積一層厚度為80nm的新型TiO2納米材料薄膜；(2)退火處理，在通氫的真空電阻爐中進行退火處理，將步驟1含有新型TiO2納米材料薄膜的多晶硅基片依次在1500℃、1200℃、900℃、600℃和300℃下各進行保溫退火30分鐘，最后冷卻至常溫；(3)制備PN結(jié)和減反膜，采用磷擴散的方法對P型硅片進行重摻雜，形成PN結(jié)；采用PECVD法在新型TiO2納米材料薄膜上生長厚度為55nm的氮化硅薄膜作為減反膜；(4)采用磁控濺射工藝或絲網(wǎng)印刷工藝制作銀柵電極和鋁背電極，制得多晶硅薄膜太陽能電池。對比實施例1不制備新型TiO2納米材料，將實施例1新型TiO2納米材料的制備工藝步驟(1)中使用的納米TiO2直接用于多晶硅薄膜太陽能電池，其余步驟同實施例1，得到多晶硅薄膜太陽能電池。對比實施例2不添加實施例1使用的4-氨基偶氮苯，制備新型TiO2納米材料工藝步驟(1)的操作為:選用3mol納米TiO2和10mol乙醇加入到燒杯中，以350r/min的轉(zhuǎn)速充分攪拌溶解20min。其余操作同實施例1，得到多晶硅薄膜太陽能電池。將實施例1-3和對比實施例1-2制備的太陽能電池投入到實際使用中，檢測關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示。表1實施例1-3和對比實施例1-2制備的太陽能電池使用參數(shù)表Uoc(mV)Isc(A)EFF(％)實施例1754.212.01220.92實施例2739.911.59820.82實施例3747.111.74720.88對比實施例1579.38.38720.01對比實施例2568.38.46620.05當(dāng)前第1頁1 2 3