專利名稱：氮摻雜二氧化鈦光陽極及其制備方法和應(yīng)用的制作方法
氮摻雜二氧化鈦光陽極及其制備方法和應(yīng)用
技術(shù) 領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種太陽能電池的光陽極，尤其涉及一種二氧化鈦光陽極，本發(fā)明還 涉及該光陽極的制備方法和應(yīng)用。
背景技術(shù)：
作為染料敏化納米晶太陽能電池光陽極的二氧化鈦薄膜起著吸附染料敏化劑，有 效快速的向外電路傳輸電子的重要作用。純凈二氧化鈦納米晶體是寬禁帶半導(dǎo)體，在可見 光區(qū)沒有響應(yīng)，這就使得在可見光區(qū)吸收光的能力不高，通過元素?fù)诫s能夠引起二氧化鈦 中雜質(zhì)能級以及能級位置發(fā)生變化，使其可見光吸收峰位置紅移，減小禁帶寬度從而增加 二氧化鈦自身對可見光的吸收利用，進(jìn)而引起二氧化鈦在可見光區(qū)的光電響應(yīng)，這樣有助 于電池光電效率轉(zhuǎn)換的提高。氮摻雜二氧化鈦光陽極是比較常用的摻雜方式，現(xiàn)有的公開文獻(xiàn)可參考申請?zhí)?為200610147257. 5的中國發(fā)明專利申請公開《一種氮摻雜納米結(jié)構(gòu)二氧化鈦的制備方 法》(公開號為CN1974014A)，該申請以氮肥化鈦粉末為原料，進(jìn)行熱氧化處理，控制溫度為 450°C 600°C，氧化時間為1 21小時，氮化鈦的顏色發(fā)生變化，形成具有金紅石型納米結(jié) 構(gòu)的二氧化鈦。另見申請?zhí)枮?00910078334. X的中國發(fā)明專利申請公開《一種氮摻雜二氧 化鈦納米線電極的制備方法》(公開號為CN1974014A)，該申請利用陽極氧化方法制備Ti02 納米線，并在六次甲基四氨溶液中浸泡，在管式爐中加熱，氮氣作載氣，進(jìn)行氮摻雜過程。上述公開文獻(xiàn)的所用原料較貴，不易獲得，同時制備過程較為復(fù)雜，相對來說整體 制造成本較高，不易推廣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述的技術(shù)現(xiàn)狀而提供一種原料易得、工藝簡 單的氮摻雜二氧化鈦光陽極。本發(fā)明所要解決的又一個技術(shù)問題是提供一種原料易得、工藝簡單的氮摻雜二氧 化鈦光陽極的制備方法。本發(fā)明所要解決的又一個技術(shù)問題是提供一種氮摻雜二氧化鈦光陽極在太陽能 電池上的應(yīng)用。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種氮摻雜二氧化鈦光陽極，該 光陽極包括導(dǎo)電玻璃及涂覆于導(dǎo)電玻璃上的二氧化鈦薄膜，其特征在于前述的二氧化鈦薄 膜中摻雜有以尿素為原料的氮源。作為優(yōu)選，所述的二氧化鈦薄膜由二氧化鈦漿料涂覆得到，該二氧化鈦漿料通過 納米二氧化鈦粉末和尿素球磨后得到。作為優(yōu)選，所述的二氧化鈦漿料中尿素與納米二氧化鈦粉末摩爾比為0.25 3
1 Io一種氮摻雜二氧化鈦光陽極的制備方法，其特征在于包括如下步驟
①稱取5g納米二氧化鈦粉末，并按照尿素和二氧化鈦摩爾比為0.25 3 1 1， 稱取尿素，將稱取后的尿素和納米二氧化鈦粉末放入球磨罐中加入5 15ml酒精，將球 磨罐放入球磨機(jī)中完成一次球磨，球磨時間為8 15h ；將球磨罐取出，再向球磨罐中加入 20 30ml酒精，將球磨罐放入球磨機(jī)中完成二次球磨，球磨時間20 25h后取出，球磨后 得到漿料；②將漿料均勻的涂覆于導(dǎo)電玻璃上，然后在400 500°C的馬弗爐中，煅燒20 35min,在煅燒過程中氮原子取代氧原子，從而形成二氧化鈦薄膜，進(jìn)而得到氮摻雜的二氧 化鈦光陽極，上述步驟①中以5g納米二氧化鈦粉末為基準(zhǔn)進(jìn)行濃度配比。作為優(yōu)選，步驟②中所述的二氧化鈦薄膜的厚度為9 18 μ m。氮摻雜二氧化鈦光陽極在染料敏化納米晶太陽能電池中的應(yīng)用。氮摻雜二氧化鈦 光陽極經(jīng)過染料敏化，滴加電解液，加上鉬對電極即可組裝成染料敏化納米晶太陽能電池。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于氮摻雜二氧化鈦漿料制備簡單、廉價，適合 大規(guī)模用于制備光陽極。本發(fā)明的光陽極在可見光區(qū)域具有良好的光響應(yīng)，提高了入射到 光陽極內(nèi)單色光的利用效率，電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到較大提高。


圖1為實施例3光陽極的紫外可見吸收光譜曲線2為實施例3光陽極的帶隙能量曲線圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。實施例1 由0. 64g尿素和5g 二氧化鈦納米粒子混合制備的氮摻雜漿料所涂覆的 二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。0. 64g尿素和5g商業(yè)P25摻混，加入IOml酒精球磨12h后再加入25ml酒精球磨 24h，將制備成功的漿料在導(dǎo)電玻璃上涂膜，膜厚大約為13 μ m。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在馬 弗爐中45(TC，30min煅燒，得到染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極。將該光陽極浸泡于 濃度為5X 10_4mOl/L的N3溶液24h，光陽極被染料充分敏化。然后將光陽極與鉬對電極對 接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為IM LiI,0. IMI2,0. 5M 4_ 丁基吡唳，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 1)。測效率所使用氙燈模擬 太陽光，光強(qiáng)為98. 7mW/cm2 (用標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管測定光強(qiáng)).在該光強(qiáng)下，測得該薄膜電 極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為5. 81%，比單純由二氧化鈦納米粒子涂膜所得電池的效率 5. 31%提高了 9%。實施例2 由0. 96g尿素和5g 二氧化鈦納米粒子混合制備的氮摻雜漿料所涂覆的 二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。0. 96g尿素和5g商業(yè)P25摻混，加入IOml酒精球磨12h后再加入25ml酒精球 磨24h，將制備成功的漿料在導(dǎo)電玻璃上涂膜，膜厚大約為13μπι。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在 馬弗爐中450°C，30min煅燒，得到染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極。將該光陽極浸泡 于濃度為5X 10_4mOl/L的N3溶液24h，光陽極被染料充分敏化。然后將光陽極與鉬對電極對接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為lMLiI，0. IM I2, 0.5M 4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 1)。測效率所使用氙燈 模擬太陽光，光強(qiáng)為98. 7mW/cm2(標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管測定光強(qiáng)).在該光強(qiáng)下，測得該薄膜 電極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為6. 32%，比單純由二氧化鈦納米粒子涂膜所得電池的效 率5. 31%提高了 19%實施例3 由1. 28g尿素和5g 二氧化鈦納米粒子混合制備的氮摻雜漿料所涂覆的 二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。1. 28g尿 素和5g商業(yè)P25摻混，加入IOml酒精球磨12h后再加入25ml酒精球 磨24h，將制備成功的漿料在導(dǎo)電玻璃上涂膜，膜厚大約為13μπι。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在 馬弗爐中45(TC，30min煅燒，得到染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極。將該光陽極浸泡 于濃度為5X 10_4mOl/L的N3溶液24h，光陽極被染料充分敏化。然后將光陽極與鉬對電極 對接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為IM LiI,0. IM I2, 0.5M 4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 1)。測效率所使用氙燈 模擬太陽光，光強(qiáng)為98. 7mW/cm2(標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管測定光強(qiáng))。在該光強(qiáng)下，測得該薄膜 電極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為6. 71%，比單純由二氧化鈦納米粒子涂膜所得電池的效 率5. 31%提高了 26%。圖1為本實施例光陽極的紫外可見吸收光譜曲線圖，圖2為實施例 3光陽極的帶隙能量曲線圖。實施例4 由1. 60g尿素和5g 二氧化鈦納米粒子混合制備的氮摻雜漿料所涂覆的 二氧化鈦薄膜電極的光電轉(zhuǎn)換性能。1. 60g尿素和5g商業(yè)P25摻混，加入IOml酒精球磨12h后再加入25ml酒精球 磨24h，將制備成功的漿料在導(dǎo)電玻璃上涂膜，膜厚大約為13μπι。將涂好膜的導(dǎo)電玻璃在 馬弗爐中45(TC，30min煅燒，得到染料敏化納米晶太陽能電池的光陽極。將該光陽極浸泡 于濃度為5X 10_4mOl/L的N3溶液24h，光陽極被染料充分敏化。然后將光陽極與鉬對電極 對接，滴入電解液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為IM LiI,0. IM I2, 0.5M 4-丁基吡啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 1)。測效率所使用氙燈 模擬太陽光，光強(qiáng)為98. 7mW/cm2(標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管測定光強(qiáng)).在該光強(qiáng)下，測得該薄膜 電極所組成的電池光電轉(zhuǎn)換效率為6. 12%，比單純由二氧化鈦納米粒子涂膜所得電池的效 率 5. 31%提高了 15%。對比實施例將用商業(yè)P25制備的未摻雜漿料在導(dǎo)電玻璃上均勻涂膜，膜厚大約 為13ym。然后450°C，30min煅燒，得到染料電池的光陽極。將該光陽極浸泡于濃度為 5 X 10-4mol/L的N3溶液24h，光陽極被染料充分敏化。將光陽極與鉬對電極對接，滴入電解 液，在氙燈模擬太陽光源下測試其效率。電解液的成分為IM LiI,0. IM I2，0.5M4-丁基吡 啶，溶劑為乙腈和碳酸丙烯酯(PC)(體積比為1 1)。測效率所使用氙燈模擬太陽光，光強(qiáng) 為98. 7mW/cm2(標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管測定光強(qiáng))。在該光強(qiáng)下，測得該薄膜電極所組成的電池 光電轉(zhuǎn)換效率為5.31%。
權(quán)利要求
1.一種氮摻雜二氧化鈦光陽極，該光陽極包括導(dǎo)電玻璃及涂覆于導(dǎo)電玻璃上的二氧化 鈦薄膜，其特征在于前述的二氧化鈦薄膜中摻雜有以尿素為原料的氮源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化鈦光陽極，其特征在于所述的二氧化鈦薄膜由 二氧化鈦漿料涂覆得到，該二氧化鈦漿料通過納米二氧化鈦粉末和尿素球磨后得到。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮摻雜二氧化鈦光陽極，其特征在于所述的二氧化鈦漿料中 尿素與納米二氧化鈦粉末摩爾比為0.25 3 1 1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮摻雜二氧化鈦光陽極，其特征在于所述的二氧化鈦薄膜厚 度為9 18 μ m。
5.一種氮摻雜二氧化鈦光陽極的制備方法，其特征在于包括如下步驟①稱取5g納米二氧化鈦粉末，并按照尿素和二氧化鈦摩爾比為0.25 3 1 1，稱 取尿素，將稱取后的尿素和納米二氧化鈦粉末放入球磨罐中加入5 15ml酒精，將球磨罐 放入球磨機(jī)中完成一次球磨，球磨時間為8 15h ；將球磨罐取出，再向球磨罐中加入20 30ml酒精，將球磨罐放入球磨機(jī)中完成二次球磨，球磨時間20 25h后取出，球磨后得到漿 料；②將漿料均勻的涂覆于導(dǎo)電玻璃上，然后在400 500°C的馬弗爐中，煅燒20 35min,在煅燒過程中氮原子取代氧原子，從而形成二氧化鈦薄膜，進(jìn)而得到氮摻雜的二氧 化鈦光陽極，上述步驟①中以5g納米二氧化鈦粉末為基準(zhǔn)進(jìn)行濃度配比。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制備方法，其特征在于步驟②中所述的二氧化鈦薄膜的厚度 為9 18 μ m。
7.權(quán)利要求1 4中所述的氮摻雜二氧化鈦光陽極在染料敏化納米晶太陽能電池中的應(yīng)用。
全文摘要
一種氮摻雜二氧化鈦光陽極，該光陽極包括導(dǎo)電玻璃及涂覆于導(dǎo)電玻璃上的二氧化鈦薄膜，其特征在于前述的二氧化鈦薄膜中摻雜有以尿素為原料的氮源。本發(fā)明還公開了該光陽極的制備方法和在太陽能電池上的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于氮摻雜二氧化鈦漿料制備簡單、廉價，適合大規(guī)模用于制備光陽極。本發(fā)明的光陽極在可見光區(qū)域具有良好的光響應(yīng)，提高了入射到光陽極內(nèi)單色光的利用效率，電池的光電轉(zhuǎn)換效率得到較大提高。
文檔編號H01L51/44GK102103931SQ20111000908
公開日2011年6月22日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者孫強(qiáng), 崔艷錚, 張京, 張雪妮, 楊廣濤, 王培卿, 諸躍進(jìn), 鄭君 申請人:寧波大學(xué)