鎢摻雜的納米晶二氧化鈦半導體薄膜及其製備方法和應用的製作方法
2023-06-12 21:18:36
專利名稱：鎢摻雜的納米晶二氧化鈦半導體薄膜及其製備方法和應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電化學和光伏技術領域，具體涉及一種鎢摻雜的納米晶二氧化鈦薄膜及其製備方法與應用。
背景技術：
染料敏化太陽電池是最近二十幾年發展起來的一種基於植物葉綠素光合作用原理研製出的太陽電池。這種電池通過藉助染料吸附到半導體表面上，利用染料對可見光的強吸收，可以將半導體的光譜響應拓寬到可見區，從而得到理想的光電轉化效率。目前，染料敏化太陽能電池的最高光電轉化效率己能穩定在10 %以上，壽命能達到1(Γ20年，且其製造成本僅為矽太陽能電池的1/5 1/10，是目前新材料中研究最充分、最成熟、最接近產業化狀態的太陽能電池。然而染料敏化太陽電池的最高效率在1993年就已經達到10 %，到最近也只是提高到了 12 %，因此進一步提高染料敏化太陽電池的效率具有重要意義。到目前為止，銳鈦礦型的納米晶二氧化鈦是性能最好的染料敏化太陽電池的半導體電極材料。因此很多研究集中在如何提高其性能以提高電池總體的光電轉化效率，其中金屬摻雜是一種很有前途的方法。通過摻雜可以將異質金屬原子取代鈦原子，從而改變二氧化鈦的能帶結構。研究發現，通過摻入金屬鋅、鋁、鋯、釹可以顯著改善納米晶二氧化鈦膜的注入、轉移效率和傳輸性能。納米晶二氧化鈦中的電荷複合是一種重要的破壞電池性能的機制，然而很少有研究發現金屬摻雜可以有效抑制電荷複合。而對鎢摻雜納米晶二氧化鈦在染料敏化太陽電池中應用的研究更少，並且沒有發現鎢摻雜可以調控二氧化鈦的導帶能級，抑制電荷複合，顯著改善電池性能這些功能。本發明通過將鎢摻雜到二氧化鈦中， 不同的摻雜濃度可以微調二氧化鈦的導帶能級，從而與染料的激發態能級更好的匹配，顯著提高了染料敏化太陽電池的性能，並且在低摻雜濃度下發現有良好的抑制電荷複合的效果。
發明內容
本發明的目的在於提供一種能顯著提高染料敏化太陽電池性能的鎢摻雜納米晶二氧化鈦半導體薄膜及其製備方法與應用。本發明提供的鎢摻雜納米晶二氧化鈦半導體薄膜，其中，鎢、鈦含量質量比為0 < W/Ti < 25%，優選1% < ff/Ti < 20%;納米晶粒徑範圍為5-50 nm，該類薄膜材料厚度為2_20 μ m，為無色透明或白色薄膜。本發明提供的鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜的製備方法，具體步驟為 1.鎢酸溶膠的配製
在燒杯中稱取鎢酸鈉並加入去離子水中，配製成摩爾溶度為0-2. 5 M的溶液，溶液無色透明，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹不少於1分鐘，然後向溶液中滴加等摩爾的鹽酸，產生白色沉澱，並逐漸轉變為黃色沉澱，再通氮氣吹不少於1分鐘。將懸濁液進行過濾，用已知溶度的硝酸銀溶液對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，室溫下用磁力攪拌器充分攪拌，得濃度為0-2. 5 M的鎢酸溶膠。鎢酸溶膠的濃度優選為0. 01-2. 5 M02.鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜的製備
將異丙氧鈦逐滴滴加到去離子水中，並在室溫條件下攪拌反應不少於1小時，充分生成白色沉澱，將白色沉澱進行過濾，得到二氧化鈦沉澱，將該沉澱轉移到反應瓶中，滴加等當量的四甲基氫氧化銨水溶液，再加入步驟1製備的鎢酸溶液，最後加入去離子水定容。在 100-150°C油浴中強力攪拌反應1-5小時，自然冷卻到室溫，將反應完成後得到的白色膠體轉移至高壓釜內並定容，在150-300 °C的條件下水熱處理6-M小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉成膜或提拉成膜方法在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐，溫度升溫至450-550 °C，恆溫0. 5-10小時，自然冷卻到室溫，即得到鎢摻雜的納米晶二氧化鈦薄膜。薄膜中的納米晶形態及粒徑通過X射線衍射儀及場發射透電鏡表徵。本發明還提供上述鎢摻雜納米晶二氧化鈦薄膜在染料敏化太陽電池中的應用，即將本發明製備的鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜按照標準方法組裝染料敏化太陽電池，在AMl. 5 模擬太陽光下測得染料敏化太陽電池的各性能參數。鎢摻雜顯著提高了電子注入效率和短路光電流，提高了納米晶二氧化鈦中的電子複合壽命，有效的抑制了納米晶二氧化鈦膜中的電子複合。相比於未摻雜鎢的納米晶二氧化鈦膜製備的染料敏化太陽能電池，摻鎢的納米晶二氧化鈦膜製備的染料敏化太陽能電池的短路光電流和光電轉化效率等性能有大幅度的提高。綜上，本發明經鎢摻雜後可以調控二氧化鈦的導帶能級，使之與染料的激發態能級更好的匹配。利用該納米晶薄膜組裝染料敏化太陽電池，可顯著提高電池的短路光電流和電子壽命，從而使能量轉化效率大幅提高。該發明可以彌補某些染料與二氧化鈦導帶能級不匹配的缺點，具有很強的應用前景。
圖1.鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜X射線衍射譜。圖2.0. 1 %(左圖)和1 %(右圖)鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜電鏡圖像。圖3.染料NKX-2883的結構圖。
具體實施例方式實施例1 0.01 M的鎢酸溶膠的製備
所述鎢酸溶液由如下工藝製備而成在燒杯中稱取0. 147 g鎢酸鈉溶於50 mL去離子水中，混合溶液為無色透明溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹5分鐘，然後向溶液中滴加1 M的濃鹽酸20 mL，產生大量白色沉澱，逐漸轉變成為黃色沉澱，再通氮氣吹5分鐘。將懸濁液進行過濾，用0.2 M的硝酸銀對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，使總體積達到50 mL，常溫下在磁力攪拌器上攪拌，即得濃度為0. 01 M的鎢酸溶膠。實施例2 0. 02 M的鎢酸溶膠的製備
所述鎢酸溶液由如下工藝製備而成在燒杯中稱取0^94 g鎢酸鈉溶於50 mL去離子水中，混合溶液為無色透明溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹5分鐘，然後向溶液中滴加1 M的濃鹽酸20 mL，產生大量白色沉澱，逐漸轉變成為黃色沉澱，再通氮氣吹5分鐘。將懸濁液進行過濾，用0.2 M的硝酸銀對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，使總體積達到50 mL，常溫下在磁力攪拌器上攪拌，即得濃度為0. 02 M的鎢酸溶膠。實施例3 0. 05 M的鎢酸溶膠的製備
所述鎢酸溶液由如下工藝製備而成在燒杯中稱取0.735 g鎢酸鈉溶於50 mL去離子水中，混合溶液為無色透明溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹5分鐘，然後向溶液中滴加1 M的濃鹽酸20 mL，產生大量白色沉澱，逐漸轉變成為黃色沉澱，再通氮氣吹5分鐘。將懸濁液進行過濾，用0.2 M的硝酸銀對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，使總體積達到50 mL，常溫下在磁力攪拌器上攪拌，即得濃度為0. 05 M的鎢酸溶膠。實施例4 0.1 M的鎢酸溶膠的製備
所述鎢酸溶液由如下工藝製備而成在燒杯中稱取1.47 g鎢酸鈉溶於50 mL去離子水中，混合溶液為無色透明溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹5分鐘，然後向溶液中滴加1 M的濃鹽酸20 mL，生大量白色沉澱，逐漸轉變成為黃色沉澱，再通氮氣吹5 分鐘。將懸濁液進行過濾，用0.2 M的硝酸銀對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，使總體積達到50 mL,常溫下在磁力攪拌器上攪拌，即得濃度為0. 1 M的鎢酸溶膠。實施例5 0.2 M的鎢酸溶膠的製備
所述鎢酸溶液由如下工藝製備而成在燒杯中稱取2. 94 g鎢酸鈉溶於50 mL去離子水中，混合溶液為無色透明溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹5分鐘，然後向溶液中滴加1 M的濃鹽酸20 mL，產生大量白色沉澱，逐漸轉變成為黃色沉澱，再通氮氣吹5分鐘。將懸濁液進行過濾，用0.2 M的硝酸銀對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，使總體積達到50 mL，常溫下在磁力攪拌器上攪拌，即得濃度為0. 2 M的鎢酸溶膠。實施例6 0.5 M的鎢酸溶膠的製備
所述鎢酸溶液由如下工藝製備而成在燒杯中稱取7. 35 g鎢酸鈉溶於50 mL去離子水中，混合溶液為無色透明溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹5分鐘，然後向溶液中滴加1 M的濃鹽酸20 mL，產生大量白色沉澱，逐漸轉變成為黃色沉澱，再通氮氣吹5分鐘。將懸濁液進行過濾，用0.2 M的硝酸銀對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生。在過濾的產物加入去離子水，使總體積達到50 mL，常溫下在磁力攪拌器上攪拌，即得濃度為0. 5 M的鎢酸溶膠。實施例7納米晶二氧化鈦膜的製備
稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加四甲基氫氧化銨水溶液3. 65 g，加入去離子水調整至總質量為40 g。在120 °C油浴中強力攪拌反應3小時，自然冷卻到室溫，將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐，溫度緩慢升溫至450 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為0.01 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為21 nm。 場發射透射電子顯微鏡表徵發現納米粒子的粒徑為25 nm，如附圖2右圖所示。實施例8含量為0.1 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜的製備
稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加水溶液3. 65 g，再加入實施例1製備的鎢酸溶膠5 mL，最後加入去離子水調整至總質量為40 g。在120°C油浴中強力攪拌反應2小時，自然冷卻到室溫，將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐，溫度緩慢升溫至500 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為0.1 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為18 nm。實施例9 含量為0. 2 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜的製備
稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加四甲基氫氧化銨水溶液3. 65 g，再加入實施例1製備的鎢酸溶膠5 mL，最後加入去離子水調整至總質量為40 g。在120 °C油浴中強力攪拌反應2小時，自然冷卻到室溫， 將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐， 溫度緩慢升溫至450 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為0. 2 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為22 nm。實施例10含量為0.5 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜的製備
稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加四甲基氫氧化銨水溶液3. 65 g，再加入實施例1製備的鎢酸溶膠5 mL，最後加入去離子水調整至總質量為40 g。在120 °C油浴中強力攪拌反應3小時，自然冷卻到室溫， 將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐， 溫度緩慢升溫至500 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為0. 5 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為23 nm。實施例11含量為1 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜的製備稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加四甲基氫氧化銨水溶液3. 65 g，再加入實施例1製備的鎢酸溶膠5 mL，最後加入去離子水調整至總質量為40 g。在120 °C油浴中強力攪拌反應3小時，自然冷卻到室溫，將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐，溫度緩慢升溫至500 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為1 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為16 nm。場發射透射電子顯微鏡表徵發現納米粒子的粒徑約為20 nm，如附圖2右圖所示。實施例12含量為2 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜的製備
稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加四甲基氫氧化銨水溶液3. 65 g，再加入實施例1製備的鎢酸溶膠5 mL，最後加入去離子水調整至總質量為40 g。在120 °C油浴中強力攪拌反應3小時，自然冷卻到室溫， 將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐， 溫度緩慢升溫至500 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為2 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為18 nm。實施例13含量為5%鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜的製備
稱取14 g異丙氧鈦，逐滴滴加到50 mL去離子水中，室溫下攪拌反應2小時，有白色沉澱生成。將生成的白色沉澱進行抽濾，得到二氧化鈦溼沉澱M g，將溼沉澱轉移到三口燒瓶中，緩慢滴加四甲基氫氧化銨水溶液3. 65 g，再加入實施例1製備的鎢酸溶膠5 mL，最後加入去離子水調整至總質量為40 g。在120 °C油浴中強力攪拌反應2小時，自然冷卻到室溫， 將反應完成後得到的白色膠體調整至50 mL轉移至100 mL高壓釜中，在220 °C的條件下水熱處理8小時。自然冷卻後取出並進行超聲處理20分鐘，得到乳白色的二氧化鈦溶膠，並通過旋轉、提拉在清洗乾淨的導電玻璃上形成一層溶膠薄膜。將乾燥後的薄膜放入馬弗爐， 溫度緩慢升溫至450 °C，保溫2小時，自然冷卻到室溫，即得到含量為5 %鎢摻雜的納米晶二氧化鈦膜。薄膜經過X射線衍射儀表徵發現，如附圖1所示，所製備的二氧化鈦納米晶為銳鈦礦晶型，納米粒子粒徑為19 nm。實施例14 0.1 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵利用實施例7製備的納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏化太陽電池，其
中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0. 6 M 碘代1，2-二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0.25 cm2。在AMI. 5 模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線，得到開路光電壓為0.64 V，短路光電流為8.0 mA/cm2，填充因子為75 %，光電轉換效率為4.2 %。暗電流測試表明在0.7 V偏壓下時，電流強度為2. 7 mA/cm2。通過強度調製光電壓譜測得在光強45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為3. 75 ms。實施例15 0.1 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵利用實施例8製備的0. 1 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏化
太陽電池，其中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0. 6 M碘代1，2- 二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0. 25 cm2。在AMI. 5模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線， 得到開路光電壓為0.63 V，短路光電流為9. 7 mA/cm2，填充因子為58 %，光電轉換效率為 4. 6 %。暗電流測試表明在0. 7 V偏壓下時，電流強度為2. 02 mA/cm2。通過強度調製光電壓譜測得在光強為45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為3.82 ms。實施例16 0. 2%鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵
利用實施例9製備的0. 2 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏化太陽電池，其中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0. 6 M碘代1，2- 二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0. 25 cm2。在AMI. 5模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線， 得到開路光電壓為0.63 V，短路光電流為10.0 mA/cm2，填充因子為65 %，光電轉換效率為 5.1 %。暗電流測試表明在0.7 V偏壓下時，電流強度為6. 42 mA/cm2。通過強度調製光電壓譜測得在光強為45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為16.8 ms。實施例17 0. 5 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵利用實施例10製備的0. 5 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏
化太陽電池，其中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0.6 M碘代1，2-二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0. 25 cm2。在AMI. 5模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線， 得到開路光電壓為0.65 V，短路光電流為8. 6 mA/cm2，填充因子為67 %，光電轉換效率為 4.4 %。暗電流測試表明在0.7V偏壓下時，電流強度為4. 21 mA/cm2。通過強度調製光電壓譜測得在光強為45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為52.3 ms。實施例18 1%鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵
利用實施例11製備的1%鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏化太陽電池，其中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0. 6 M碘代1，2- 二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0. 25 cm2。在AMI. 5模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線， 得到開路光電壓為0.64 V，短路光電流為9.1 mA/cm2，填充因子為67 %，光電轉換效率為 4.3 %。通過強度調製光電壓譜測得在光強為45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為49. 6 ms。實施例19 2 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵
利用實施例12製備的2 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏化太陽電池，其中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0. 6 M碘代1，2- 二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0. 25 cm2。在AMI. 5模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線，
8得到開路光電壓為0.63 V，短路光電流為10.2 mA/cm2，填充因子為58 %，光電轉換效率為
4.1%。通過強度調製光電壓譜測得在光強為45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為57. 1 ms。 實施例20 5 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜基染料敏化太陽電池性能表徵
利用實施例13製備的5 %鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜根據已有標準方法組裝染料敏化太陽電池，其中染料採用NKX-2883 (圖3)，電解液0.1 M LiI/0. 05 M Ι2/0· 5 M/對叔丁基吡啶/0. 6 M碘代1，2- 二甲基-3-正丙基咪唑的乙腈溶液，對電極為鉬，電池面積為0. 25 cm2。在AMI. 5模擬太陽光下測得含有不同鎢組分的染料敏化太陽電池用電流-電壓曲線， 得到開路光電壓為0. 57 V，短路光電流為10. 1 mA/cm2，填充因子為53 %，光電轉換效率為
3.2%。通過強度調製光電壓譜測得在光強為45 W/m2，波長532 nm光源照射下，電子複合壽命為157 ms。
權利要求
1.一種鎢摻雜的納米晶二氧化鈦半導體薄膜，其特徵在於該納米晶半導體薄膜中，鎢、 鈦含量的質量比為0 < ff/Ti < 25 %，納米晶粒徑範圍為5-50 nm，薄膜厚度為2-20 μ m, 無色透明或白色。
2.一種如權利要求1所述的鎢摻雜的納米晶二氧化鈦半導體薄膜的製備方法，其特徵在於具體步驟為配製鎢酸溶膠在燒杯中稱取鎢酸鈉並加入去離子水中，配製成摩爾濃度為0-2. 5 M的溶液，用玻璃滴管連通氮氣，插入燒杯底部，用氮氣吹不少於1分鐘，然後向溶液中滴加等摩爾的鹽酸，產生白色沉澱，並逐漸轉變為黃色沉澱，再通氮氣吹不少於1分鐘；將懸濁液過濾，用已知濃度的硝酸銀溶液對濾液進行滴定，直到濾液中完全沒有白色沉澱產生；在過濾的產物中加入去離子水，室溫下用磁力攪拌器充分攪拌，得到濃度為0-2. 5 M的鎢酸溶膠；製備鎢摻雜納米晶二氧化鈦膜將異丙氧鈦逐滴滴加到去離子水中，並在室溫條件下攪拌反應不少於1小時，充分生成白色沉澱；將白色沉澱過濾，得到二氧化鈦沉澱；將該二氧化鈦沉澱轉移到反應瓶中，緩慢滴加等當量的四甲基氫氧化銨水溶液，再加入由步驟(1)製備的的鎢酸溶液，最後加入去離子水定容；在100-150 ！油浴中攪拌反應1-5小時，自然冷卻到室溫，將反應完成後得到的白色膠體轉移至高壓釜內並定容，在150-300 °C的條件下水熱處理6-M小時；自然冷卻後取出並進行超聲處理，得到乳白色的二氧化鈦溶膠；再通過旋轉成膜或提拉成膜方法在導電玻璃上形成一層溶膠薄膜；將乾燥後的薄膜放入馬弗爐，溫度升至450-550°C，恆溫 0. 5-10小時，自然冷卻到室溫，即得到鎢摻雜的納米晶二氧化鈦半導體薄膜。
3.—種如權利要求1所述鎢摻雜的納米晶二氧化鈦薄膜在製備染料敏化太陽能電池中應用。
全文摘要
本發明屬於光電化學和光伏技術領域，具體為一種鎢摻雜的納米晶二氧化鈦半導體薄膜及其製備方法與應用。本發明首先將鎢酸溶液加入到異丙氧鈦在水中，經處理得到鎢摻雜二氧化鈦膠體，然後通過水熱法形成納米晶薄膜。鎢摻雜後可以調控二氧化鈦的導帶能級，使之與染料的激發態能級更好的匹配。利用該納米晶薄膜組裝染料敏化太陽電池，可顯著提高電池的短路光電流和電子壽命，從而使能量轉化效率大幅提高。該發明可以彌補某些染料與二氧化鈦導帶能級不匹配的缺點，具有很強的應用前景。
文檔編號H01M14/00GK102157268SQ20101055523
公開日2011年8月17日 申請日期2010年11月23日 優先權日2010年11月23日
發明者劉芳, 周剛, 張希, 王忠勝 申請人:復旦大學