以二羧基乳酸络钛酸铵为钛源制备纳米氧化钛及其DSSCs性能研究

摘要

染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cells，DSSCs)以制备工艺简单、价格低廉、光电转化效率高等优点引起了各国研究者的高度关注。二氧化钛纳米晶光阳极作为染料敏化太阳能电池的关键材料始终是研究重点之一。常用于制备二氧化钛纳米晶的钛源主要为钛无机盐和钛醇盐，但它们反应活性较高，当反应温度或酸碱度改变时会产生大量的大块沉淀。其中钛无机盐在水解过程中会释放出大量的无机离子，无机离子会压缩初始形成胶粒的双电层，导致较大沉淀颗粒的形成。钛醇盐则在水解过程中会产生大量的醇类改变水溶液的介电常数并在晶面选择性吸附，对晶粒的形貌有着复杂的影响。这些因素导致了所制备的二氧化钛晶粒分布宽、形貌控制难、团聚严重等问题。
　　 为优化DSSCs光阳极界面，常采用四氯化钛水溶液对其进行后处理改性。但四氯化钛水解过程中会释放出氯化氢，对导电基底有一定的腐蚀作用，从而降低电池的性能。另一方面，从光的充分利用考虑，散射层可以提高电池的捕光效率，然而常用的散射层二氧化钛颗粒存在比表面过低的问题，仅散射光子几乎不吸附染料，对电池效率的提高贡献不太显著。
　　 针对以上问题本文开展了以下几个方面的研究：
　　 (1)以水溶性、低反应活性的二羟基乳酸络钛酸铵(TALH)为原料，在碱性条件下采用溶胶-凝胶法和水热法分别制备出了比表面积为168 m2/g、108 m2/g的锐钛矿相二氧化钛纳米晶。将这两种纳米晶分别制备成光阳极并组装成DSSCs，获得了7.8％和8.9％的效率。在酸性条件下，通过水热处理TALH的水溶液制备出了晶粒尺寸分别约为11和12 nm的两种二氧化钛纳米晶，用以制备光阳极并组装成DSSCs，分别获得了5.3％和8.1％的效率。
　　 (2)以TALH为原料尿素为碱源，在95℃的条件下水解回流处理24 h，制备出了弱碱性的淡蓝色锐钛矿相溶胶，溶胶分散性和稳定性优良。将该溶胶用于二氧化钛光阳极的后处理，很好地改善了二氧化钛薄膜的网络结构以及多孔二氧化钛薄膜和导电基底的结合力。经改性后的二氧化钛薄膜组装成DSSCs，其光电转化效率由8.1％提高到了9.3％。
　　 (3)以TALH为原料，在聚合高分子电解质存在下，在粒径尺寸为400-500 nm左右的二氧化钛颗粒表面包覆了一层颗粒尺寸为7nm的锐钛矿相二氧化钛小晶粒，提高了散射颗粒的比表面积。包覆后的大颗粒制备成二氧化钛光阳极的散射层，使DSSCs的光电转化效率从6.2％提高到了7.1％。