纳米TiO2在太阳能电池中的应用姓名：周蕊学号：201005010333单位：西安建筑科技大学华清学院材料科学与工程1003班指导老师：杨春利摘要:利用纳米尺度的半导体材料如TiO2、ZnO、SnO2等作为太阳能电池的光电极的研究是世界范围的研究热点，其中纳米TiO2由于光稳定、无毒成为研究光电太阳能转在太阳能电池中的应用研究的最新进换电池使用最普遍的材料。
目的：研究纳米TiO2在其中的应用开发提供参考和借鉴。
方法展状况,为国内太阳能电池的研发与纳米TiO2应用以最新的文献为基础,进行归纳分析,研究其应用研究的新进展。
结果：纳米TiO2于太阳能电池,主要介绍了纳米管、线、薄膜等在染料敏化太阳能电池(DSSCs)和有机光伏太阳能电池(OPV)中的应用研究的一些最新成果。
这2种太阳能电池也是新型太阳能电池研究中的2 个热点研究对象,太阳能电池作为洁净环境友好的绿色可再生能源,在太阳能电池中的的应用,使太阳能电是未来开发与应用研究的重点。
结论：纳米TiO2池的光电转化效率大大提高,使用寿命大为延长,但是在商业化批量生产的征途中依然有许多问题有待解决。
关键词: 纳米TiO2，太阳能电池，绿色能源，染料敏化，光电转化1.引言关于纳米TiO的研究动态的文献分析已经有报道[ 1], 但是其中并未涉及具体应用例证,2仅仅就全球范围内进入21 世纪以来的研究文献( 包括专利文献和非专利文献) 进行了统在电池中的应用进展进行简要概述。
计分析, 而本文是将纳米TiO2随着矿物燃料的枯竭和燃烧后对环境带来的负面效应( 主要是温室效应) , 使人们对环境友好型清洁能源的开发和利用越来越重视, 倡导低碳经济就是在可持续发展与环境保护并重的背景之下而提出的。
太阳能的利用是环境友好型清洁能源之一, 光伏电池的研发是太阳能利用的关键。
纳米技术在光伏电池中的应用使其光电效率的转化大大提高, 特别是纳米材料在光伏电池中的应用, 对其飞速发展起到了有力的促进作用, 纳米TiO2就是其中的一个典型代表。
TiO2作为一种良好的电子传导纳米型半导体, 特别是采用溶胶凝胶法制得的纳米TiO2 , 在有机太阳能电池中可以作为空穴阻挡层, 激子阻挡层,O2和H2O 阻挡层, Al与P3HT：PCBM 之间反应阻挡层等[ 2] , 除了应用于太阳能电池, 在燃料电池以及其他蓄电池如锂离子电池等产品中也有广泛应用, 下面分别举例进行简要概述。
2.纳米TiO2的制备方法2.1纳米TiO2粉体的制备方法目前, 制备纳米TiO2粉体的方法有很多, 按照所需粉体的形状、结构、尺寸、晶型、用途选用不同的制备方法[ 4]。
根据粉体制备原理的不同, 这些方法可分为物理法、化学法和综合法。
无论采用何种方法, 制备的纳米粉体都应满足以下条件: 表面光洁; 粒子的形状及粒径、粒度分布可控; 粒子不易团聚; 易于收集; 热稳定性好; 产率高。
物理法[ 3]是最早采用的纳米材料制备方法, 其方法是采用高能消耗的方式,“强制”材料“细化”得到纳米材料。
物理法的优点是产品纯度高。
常用的方法：气相蒸发沉积法、蒸发—凝聚发。
另外还有化学法[ 3]：液相化学反应法（溶胶—凝胶法、沉淀法、微乳液法等）、气象化学反应法（气相水解法、热解法）、综合法（激光CVD法、等离子CVD法）。
2.2纳米TiO2膜的制备方法以溶胶凝胶为基础的涂层法、金属有机化学气相沉积法、阴极电沉积法[ 5]、阴极真空喷镀法、液相沉积法、粘结剂法。
2.3纳米TiO2块材的制备方法凝胶直接成形制备纳米TiO2块体陶瓷。
[ 6]其特点是粉体制备与成形过程一气呵成, 省略了湿法制粉的干燥工序, 从而有效地减少了团聚形成的可能, 所得坯体具有更好的结构均匀性, 有利于在低温下烧结纳米陶瓷。
其过程为: 先将异丙醇钛的纯溶液在25℃水解, 通过滴加HNO3调节pH 值进行解胶; 其后将所获得的氧化钛溶胶在温度为40℃、相对湿度为60% 的条件下干燥, 获得氧化钛凝胶。
进一步在不同温度下煅烧, 最后获得纳米陶瓷。
2.4纳米TiO2应用于太阳能电池的背景纳米TiO2被广泛应用于牙膏、防晒霜以及其他日用消费品, 但其年使用量不过36.4 万kg, 而纳米TiO作为DSSCs（dye-sensitized solar cells, 染料敏化太阳电池）[19]的关2键材料之一, 每年全球消费量超过4.5 亿kg , 从OPV（organic photovoltaic solar cells,有机太阳能电池）和DSSCs 未来需求量的变化趋势可折射出对于纳米TiO需求量的变化趋2势, 在未来5年依然是需求持续增长[ 2], 只不过增长幅度会逐年减慢而已。
这种变化趋势与当前倡导的低碳经济、保护环境的议题密切相关, 因为太阳能是一种用之不竭的环境友好型洁净能源。
传统的太阳能电池将光能转换为电能是依靠如晶体硅等半导体材料来实现光伏效应。
虽然有效,但是这种利用太阳能的方法成本高, 为了减少对足够数量硅的依赖性、降低组装成本、改进面板刚性等,“第三代技术”应运而生, 其主要包括有机技术、纳米技术和球形技术。
开发OPV 研究始于20世纪70年代。
OPV 与单晶硅太阳能电池相比较, 成本大大降低, 因此被认为是一种低成本有效利用太阳能的理想选择。
这项技术本身目前尚处在发展的过程之中, 但是显示出低成本、易加工, 应用和制造工艺的多样性、灵活性和功能性是有机技术的明显优势。
而转化效率低、太阳能电池的耐久性差( 使用寿命短) 是其明显弱势。
3.纳米TiO2在太阳能电池中的应用3.1.纳米TiO2在OPV 中的应用OPV 按照结构可分为单层OPV(见图2a)、双层OPV(见图2b)和多层OPV[ 8]。
单层OPV 是由透明电极/有机光敏半导体/电极组成。
1994年R.N.Marks [ 2]等人就制成了这类电池。
他们是在ITO和低工作功能阳极之间夹了一层50—320 nm的PPV( poly(p-phenylenevinylene) 有机光敏半导体材料, 该装置的量子效率为0.1%, 能量密度为0.1mW/cm2。
由于双层OPV 电池较单层OPV 电池多了一层电子受体, 能够使产生的光电子e-尽快转移, 避免了e-与电子空穴h+重新结合, 使双层OPV 电池的量子效率提高了10倍, 达到1%。
从多方面的研究结果可以看出, 人们对光敏染料太阳能电池和聚合物太阳能电池的热衷情怀,从来没有因为其转化率低而有所改变, 相反随着纳米技术的发展和纳米材料的广泛应用, 使科学家又看到了成本低廉的光敏太阳能电池和聚合物太阳能电池的发展前景。
3.2.纳米TiO2薄膜在DSSCs 中的应用DSSCs 作为第三代太阳能电池, 是目前最有潜力的硅太阳能电池廉价替代物.它以廉价的宽带隙氧化物半导体制备成具有多孔结构、高比表面积的纳米晶薄膜, 薄膜上吸附大量光敏染料, 并选用适当的氧化还原电解质, 利用染料来俘获太阳光[ 10]。
该种电池目前最高光电转换效率已超过12%, 接近传统的非晶硅光伏电池, 生产工艺简单,无需超高温、超高真空、超高纯的生产过程, 成本仅为硅太阳能电池的十分之一, 且制作工艺适于商业化大批量生产, 已引起各国科学家的极大关注。
TiO2薄膜作为染料吸附、电子传输的载体, 是染料敏化太阳能电池的关键, 其性能直接影响电池的效率。
王丽伟[ 9]等人深入探讨了二氧化钛薄膜厚度、四氯化钛处理电极及添加大粒子散射层对电池效率的影响。
研究结果表明, 在一定范围内增加TiO2电极的厚度可以显著提高电池效率, 但当电极过厚时, 薄膜中的缺陷态增加, 降低了电子的传输效率, 导致光电流下降, 电池效率降低；四氯化钛处理电极增强了基底导电面与薄膜界面以及二氧化钛粒子间的电接触, 加快电子传输使光电流增强；引入散射层, 提高了电池在长波段的光捕获效率, 从而提高了电池的效率。
3.3.T iO2纳米棒/纳米颗粒复合薄膜电极在DSSCs 中的应用影响DSSCs 光电转换效率的主要因素包括染料对太阳光的高效吸收、光生电荷的快速分离和电子的快速运输等。
与纳米颗粒相比，在晶膜电极中掺入TiO2一维纳米材料，如纳米管[18]、纳米线、纳米带及纳米棒[11]等，能够提高电子传输效率，有效抑制电子的复合，同时提高对光的散射作用，这些因素对DSSCs 性能的改善都是非常重要的。
赵丽[12]等制备了TiO2纳米棒/纳米颗粒复合薄膜电极，组装了DSSCs电池：将制备的不同TiO2纳米棒含量的晶膜电极浸泡于0.5 mmol/L N719 染料的乙醇溶液中12 h，使染料充分吸附在TiO2上，取出后用乙醇反复冲洗吸附在表面的染料，于80℃真空干燥4 h，即得到染料敏化的TiO2薄膜电极。
以染料敏化的晶膜电极为阳极，镀铂电极为阴极，间隙中滴入电解质，封装后即得到DSSCs。
电解质溶液配置如下：将0.05 mol LiI、0.005 mol I2加入100 mL乙腈溶液中充分振荡后再加入0.01 mol 4-叔丁基吡啶(tertiary butylpyridine，TBP)溶解，将配置好的电解质溶液放入棕色瓶中并置于暗处避光保存。
经过个方面的表征分析，随着TiO2纳米棒掺量的增加，P25 晶膜的光电转换效率不断提高，当TiO2纳米棒掺量增加到20%时，电池的光电转换效率达到最大(4.66%)；继续增加纳米棒含量(25%)，电池的短路电流密度和转换效率反而有一定程度地下降，可能是由于纳米棒之间发生团聚而形成较大的孔洞所致，这种疏松的结构导致电解质渗透到里层和导电玻璃的导电面接触形成很大的暗电流，使电池的短路电流密度和光电转换效率反而降低。
尽管该电池的光电转换效率与已公开的结果还有一定的差距，但是从试验结果可以看出添加TiO2纳米棒对P25 晶膜电极的影响，随着TiO2晶膜的厚度、电解质的配方和对电极的优化，相信该电池的性能将会进一步提高。
3.4.T iO2纳米管阵列在太阳能电池中的应用随着纳米制备技术的发展, 一种新型TiO2纳米结构——TiO2纳米管阵列( TiO2nanotube arrays,TiO2-NTAs)[ 7]被发现并广泛应用于太阳能电池、光催化剂、气敏传感器、超级电容器等领域。
与传统的TiO2纳米晶( TiO2-NPs)相比, TiO2-NTAs 制备简便, 通过阳极氧化在Ti 片上直接生长, 并且TiO2-NTAs/ Ti 可以直接用作光电极； TiO2-NTAs结构特殊,具有更大的比表面积和更强的吸附能力, 因此在TiO2基染料/量子点敏化太阳能电池中, 有望获得更高的染料/量子点负载量, 进而获得高效、廉价的太阳能电池。
3.4.1.TiO2-NTAs 染料敏化太阳能电池TiO2-NTAs 与钛基底之间有良好的粘附力, 因此可以将TiO2-NTAs/Ti 直接作为光阳极,对电极为镀有铂镜的透明导电玻璃(Pt/FTO) , 电解质一般采用液态电解质, 即在乙腈、碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯等有机溶剂中加入碘盐和碘单质构成I-/I3-氧化还原对[13]。