染料敏化太陽(yáng)能電池用氧化鈦基納米薄膜的研制

摘 要：對(duì)DSSC的光電陽(yáng)極進(jìn)行研究，利用旋轉(zhuǎn)涂布法制備納米管狀結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜，其孔隙率很高，比表面積很大，可以吸附較多的染料，獲得較高的光催化效率。對(duì)制備出的薄膜進(jìn)一步進(jìn)行改質(zhì)處理，使TiO2薄膜的性能獲得有效的改善，光催化效率進(jìn)一步提高。利用XRD、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)等技術(shù)分析薄膜性能表征，并測(cè)試改質(zhì)處理后的光電轉(zhuǎn)化性能及轉(zhuǎn)化效率。

關(guān)鍵詞：TiO2薄膜；旋轉(zhuǎn)涂布法；改質(zhì)處理

目前全球的經(jīng)濟(jì)正在快速發(fā)展，意味著人類對(duì)于能源的需求越來(lái)越大了，那么能否開(kāi)發(fā)新能源就顯得尤為重要。太陽(yáng)能作為一種能源，不僅無(wú)任何污染而且永不枯竭，因此受到了廣泛關(guān)注，而染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池（DSSC）是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能的最有效途徑之一。本文擬利用旋轉(zhuǎn)涂布法制備納米管狀結(jié)構(gòu)的TiO2薄膜，并改變鍍液成分，進(jìn)行金屬離子摻雜，確定最佳摻雜濃度。利用XRD、紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)等分析技術(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，并測(cè)試改質(zhì)處理后的的光催化性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

利用HB-C型臺(tái)式勻膠機(jī)、FY-1C型旋片式真空泵等設(shè)備制備TiO2薄膜，在鍍液中摻入硝酸鎳，并進(jìn)行退火處理：300 ℃保溫1h，500 ℃保溫2h，升溫速度2℃/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織

圖1是不同鎳離子摻雜量條件下制備的TiO2薄膜的XRD譜圖。

制備TiO2薄膜時(shí)，摻入不同量的鎳離子后，XRD圖的衍射峰和空白樣相比，寬度明顯增大，而且衍射峰強(qiáng)度也較低，分析原因是無(wú)序的晶間結(jié)構(gòu)以及晶體中存在的缺陷會(huì)使點(diǎn)陣間距發(fā)生變化，進(jìn)一步使得XRD譜圖的衍射峰變寬變?nèi)酢?/p>

TiO2膜的XRD分析表明，摻雜延緩了TiO2晶粒的生長(zhǎng)速率，抑制了晶粒大小，結(jié)晶完整，主晶相為銳鈦礦型。

2.2 光觸媒實(shí)驗(yàn)

配制亞甲基藍(lán)溶液初始濃度為10mg/L，把已經(jīng)制備好的TiO2薄膜加入到濃度為10mg/L的亞甲基藍(lán)溶液中，在無(wú)光照條件下下放置一段時(shí)間，直至達(dá)到吸附平衡。利用紫外燈發(fā)出的紫外光線進(jìn)行照射，紫外燈到液面保持適當(dāng)?shù)木嚯x，每間隔一定時(shí)間將薄膜取出，利用用紫外分光光度計(jì)測(cè)定在亞甲基藍(lán)溶液最大波長(zhǎng)664 nm處的吸光度。由朗伯比爾定律可知，在低濃度時(shí)溶液濃度與吸光度呈良好的線性關(guān)系。所以，為了表征在降解過(guò)程中亞甲基藍(lán)溶液濃度的變化需要測(cè)定相對(duì)吸光度值的變化。亞甲基藍(lán)溶液有一個(gè)特征它經(jīng)過(guò)紫外燈照射后會(huì)發(fā)生分解現(xiàn)象，所以不僅做了降解實(shí)驗(yàn)的而且需要做相應(yīng)的空白實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照，目的是減小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。

本研究使用UV-Visible 為TU-1810型。分析參數(shù)：偵測(cè)光波長(zhǎng)設(shè)定為660～670nm、訊號(hào)接收形式為吸收（Abs.）、強(qiáng)度大小設(shè)定由0到2.5、掃描間距為1nm且掃描速度設(shè)定為100nm/min。

由上圖可知，相比于純TiO2薄膜摻雜鎳離子后的TiO2薄膜的降解能力明顯提高。當(dāng)Ni的摻雜濃度由1d升高至2d，亞甲基藍(lán)的降解率逐漸提高；當(dāng)Ni的摻雜濃度繼續(xù)增加至3d和4d，摻雜后的樣品對(duì)溶液的的降解率反而有所下降。那么這就意味著鎳離子的摻雜濃度存在一個(gè)最佳值。當(dāng)摻雜濃度低于最佳濃度時(shí)，薄膜中捕獲光生載流子的陷阱數(shù)量不足，因此產(chǎn)生的光生電子以及空穴就無(wú)法達(dá)到最有效的分離狀態(tài)；當(dāng)摻雜濃度最佳的時(shí)候，空間電荷層的厚度此時(shí)恰好與入射光穿透深度值是相等的，這樣光生電子以及空穴就可以進(jìn)行最優(yōu)分離，也就是進(jìn)行的光催化反應(yīng)最徹底；當(dāng)摻雜濃度高于最佳濃度時(shí)，濃度過(guò)高會(huì)造成表面光生載流子復(fù)合中心的數(shù)量增多，對(duì)光催化反應(yīng)式不利的。

由上各圖可知，各薄膜的ln （C/C0）值與反應(yīng)時(shí)間呈線性關(guān)系，并且相關(guān)系數(shù)比較好，說(shuō)明摻雜TiO2薄膜降解亞甲基藍(lán)溶液的變化均屬于一級(jí)反應(yīng)，即：

ln（C/C0） = Kt

式中，K為反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)。一般來(lái)說(shuō)進(jìn)行光催化降解反應(yīng)時(shí)一級(jí)K值越大，薄膜的光催化活性越強(qiáng)。

3 結(jié)論

在半導(dǎo)體中摻雜金屬離子后，一方面能夠提高半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)，另一方面可以擴(kuò)展半導(dǎo)體的吸收波長(zhǎng)，其范圍可以延伸至可見(jiàn)光區(qū)域。分析其原因可能是摻雜金屬離子后TiO2薄膜晶格中的缺陷位置發(fā)生了變化，同時(shí)結(jié)晶度隨著改變，成為電子或空穴的陷阱而延長(zhǎng)壽命。

降解亞甲基藍(lán)時(shí)，金屬元素的摻雜濃度存在一個(gè)最佳值。光催化降解亞甲基藍(lán)溶液試驗(yàn)結(jié)果表明，合適的金屬離子可以有效提高TiO2薄膜的光催化活性，當(dāng)Ni摻雜濃度為2d，光催化性能最佳，對(duì)亞甲基藍(lán)溶液的降解率最大，不同摻雜量的薄膜對(duì)亞甲基藍(lán)的降解遵循一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊旭一.TiO2納米管的制備和表征及其在染料敏化太陽(yáng)能電池的應(yīng)用研究[D]. 上海交通大學(xué)， 2008.

[2]王書亮.納米二氧化鈦薄膜的制備及金屬離子摻雜對(duì)其結(jié)構(gòu)和性能的影響[D]. 廈門大學(xué)， 2005.

[3]田越.摻雜改性氧化鈦光催化薄膜的研究[D]. 武漢理工大學(xué)，2008.

[4]Miehael Grtzel. Conversion of sunlight to electric power by nanocrystalline dye-sensitized solar cells. Journal of Photochemistry and Photobiology A： chemistry， 2004， （164）： 3-14.

作者簡(jiǎn)介：賈永敏（1988-），女， 漢族，山東萊陽(yáng)人，碩士助教，金屬熱處理。