染料敏化二氧化钛薄膜电极的制备及其光电性能研究

摘要：DSSC电池（染料敏二氧化钛纳米晶太阳能电池）作为一种新型光化学太阳能电池，具有制作工艺简单，制作成本低廉，使用性能稳定等诸多优点，在太阳能电池发展方面具有里程碑式的重要意义。本文针对染料敏化二氧化钛薄膜电极的制备及其光电性能进行了一些研究和探索。

Abstract: DSSC cell, as a novel photochemical solar cell, has many advantages, such as the simple production process, low production cost, stable performance and so on, which has milestone significance in the development of solar cells. In this paper, the research and exploration on preparation of dye-sensitized titanium dioxide film electrode and its optical properties are conducted.

关键词：二氧化钛；DSSC；光电性能

Key words: titania；DSSC；optical properties

作者简介：平从（1983-），男，河北安国人，硕士研究生，研究方向为氧化钛纳米管在染料敏化太阳能电池中的应用；吴志明（1964-），男，四川夹江人，教授，博士生导师，研究方向为子聚合物材料及器件等。

1 DSSC太阳能电池的结构及工作原理

染料敏二氧化钛纳米太阳能电池一般由透明导电玻璃（ITO）、纳米二氧化钛多孔膜、染料光敏化剂、电解质溶液和镀铂电极等部分构成。工作原理为：在太阳光照射下，染料分子接收光能，其中的电子可以跃迁到激发态，此时二氧化钛作为电子受体能够接受染料分子中的活跃电子，同时使染料分子因失去电子变为激发态。电解质溶液被当做电子供体，向氧化状态的染料提供电子同时使之还原再生，电流扩散至电极，得到电子。同时完成还原工作，进而实现一个完整的光电循环。

2 二氧化钛薄膜的制备研究

2.1 以溶胶、凝胶法作为基础的涂层方法 溶胶、凝胶法通常指金属醇盐或无机物经过溶胶、凝胶固化后，经过热处理形成氧化物以及其他化合物固体的一种方法。这种方法在上世纪80-90年代在玻璃涂层、氧化物涂层以及功能陶瓷等方面应用较为广泛，特别是在高临界温度氧化物的合成中更是得到了成功应用。目前这种方法仍然被作为制备薄膜的一种实用方法。

2.2 以化学反应作为基础的化学气相沉积法 化学气相沉积法能够沉积碳化物、氮化物以及硼化物等多种材料，运用这种方法可以在外形复杂表明形成膜层。该方法是薄膜制备方法的中重要一种，可细分为热CVD、光CVD、等离子体CVD、MOCVD等多种。化学气相沉积法以化学反应作为基础，沉积反应包括化学合成反应和热分解反应等两种。化学气相沉积法的实质是在高温下化学反生成固态沉积成膜方法。高温是化学气相沉积法的一个重要特征，大多数多反应的环境温度要在600℃以上。由于MOCVD技术相对沉积温度较低，且沉积速率高等。近年来在单晶硅片等方面的镀膜得到了比较广泛的应用。

2.3 以辉光放电作为基础的物理气相沉积法 物理气相沉积法是利用辉光放电以及热蒸发等物理方法，是制备硬膜的常用技术，其中包括离子镀和溅射镀膜和真空蒸发镀膜等。具有沉积温度低，不会导致基底变形以及镀层性能改变等多种优点。可以通过电子束蒸发、离子束溅射、直流（交流）反应磁控溅射等多种物理气相沉积的方法来进行制备。其最大优势是的薄膜厚度比较容易控制，缺点为环境要求真空，设备价格较昂贵。

3 二氧化钛薄膜电极的制备及光电性能研究

二氧化钛薄膜的制备可以采用溶胶凝胶法、化学气相沉积法、物理气相沉积法等。根目前溶胶凝胶技术依然具有较大的优势，是目前最为常用的方法。本次研究采用的是浸渍提拉法。可能影响性能的因素为钛酸丁脂、乙醇、抑制剂、催化剂（酸）以及水和反应温度。

3.1 正交试验 如表1所示。

3.2 正交实验结果 将依据正交工艺制备的二氧化钛薄膜用500℃的温度进行3个小时的热处理，待冷却到100℃的温度时，马上放入乙醇中，浸泡24小时，然后取出烘干，组成电池后，在模拟条件下，测试后短路电流和开路电压。从实验结果上看，乙醇3、钛酸丁脂2、水1、二乙醇胺2的情况下，也就是第六组所所制备的二氧化钛薄膜具有较好的光电性能。

3.3 保温时间对二氧化钛电极光电性能的影响 为研究保温时间对开路电压和短路电流的影响。我们进行了相关试验。从测试结果（表2）可以看出，保温时间从h1逐步增加到3h的时候，电池的短路电流以及开路电压都是逐渐增大，在保温时间达到3h时，开路电压和短路电流和最大。以上测试结果表明，由于保温时间为hl时，二氧化钛膜中的有机物因为时间短不能完全释放，从而影响了光电流的产生以及电池的光电转化率。

3.4 提拉次数对光电性能的影响 为了研究二氧化钛膜厚度对光电性能的影响，我们按照5m/s的速度进行不同次数的提拉成膜试验，提拉次数分别为2、4、6、8、10次，提膜后马上放在100℃干燥箱，进行10分钟的保温钟，冷却5分钟以后再次提拉。在500℃温度下退火3小时以后，再冷却到100℃，马上放入绿素染料中，浸泡24小时，取出后用乙醇清洗表面，然后取出烘干，组成电池后，在模拟条件下，测试后短路电流和开路电压。试验结果（表3）表明，当提拉次数为6时，开路电压达和短路电流达到最大值。由于在DSC电池中，入射光的获取依靠染料分子，随着薄膜厚度的增加，染料分子也相应越多，光生电流就较大，在二氧化钛膜较薄时，吸附的分子数较少，光生电流就小。但膜厚达到一定厚度以后，将会产生较多的微裂纹，会影响了传输，导致短路电流和开路电压的下降。

4 结语

本文通过正交试验优化薄膜的工艺参数，探讨了保温材料比重和保温时间、提拉次数等对光电性能的影响。对于揭示光生电荷的传递机理，探讨二氧化钛电极在太阳能电池方面的应用具有一定的理论意义和现实意义。

参考文献：

[1]周庆凡，朱又红.从世界能源统计数据看中国能源现状[J].中国能源2005（11）40-42.

[2]吴季怀，郝三存，林建明等.染料敏化TiO2纳晶太阳能电池研究进展[J].华侨大学学报（自然科学版）2003（4）335-344.

[3]石然，张毅，寇朝霞等.用多孔氧化铝为模板制备Fe磁性纳米线[J].化工时刊2004（12）28-30，34.