專利名稱：一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法
技術領域：
本發明涉及到一種以鈦箔作為基底導電材料的量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，屬于太陽能電池制造技術領域。
背景技術：
隨著煤炭、石油等傳統燃料資源的頻頻告急，不可再生能源的使用對環境造成的危害日益加劇。太陽能光電化學電池將太陽能轉化成電能或化學能(如氫能)，能有效地解決能源和環境污染問題，顯示了可持續的發展前景。早于1982年Ross和Nozik就提出了載流子電池，1997年mirfel從熱載流子出發，提出了碰撞電離電池的概念，倘若施加優化的聚光條件，理想的熱載流子電池的最高效率可以達到或超過 85% (Ross R Τ, Nozik A J. J. Appl. Phys.，1982，53，3813)或按照 Takeda 的計算，最大可達 76% (Green M A. Third Generation Photovoltaics. Berlin Springer-Verlag，2003)，為量子點敏化太陽能電池提供了重要的理論依據。通常用于量子點敏化太陽能電池光陽極的材料包括Ti02、ZnO, SnO, Nb2O5以及 SrTiO3 等(Gratzel，M. Photoelectrochemical cells, Nature 2001，414，337)。雖然量子點敏化TW2納米管陣列已有報導，但其光電轉換效率明顯偏低，目前為止，報導的轉化率最高值為4. 69%，本發明采用低成本方法，改進工藝方法，能夠快速制備出所需面積、所需數量的具有規整形貌的氧化鈦納米管陣列薄膜，可實現工業化生產。制備的量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池性能優越，光電轉化效率大大提高，具有巨大的潛在應用價值。
發明內容
本發明的目的在于提供一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法。本發明的目的是通過下述技術方案來實現的。本發明的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，該光電化學電池包括光陽極、對電極和電解液；先在鈦箔基底上通過陽極氧化方法制備氧化鈦納米管陣列電極，然后采用化學浴沉積的方法，將量子點組裝在氧化鈦納米管陣列電極上，最后組裝成光電化學電池，具體步驟為1)氧化鈦納米管陣列光電極的制備。將鈦箔基底進行裁片，依次用丙酮、乙醇各超聲清洗3 IOmin ；采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用含有NH4F的乙二醇的水溶液，恒壓(50-80V)，拋光5-24h ；拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗 3 20min，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。用打孔器在3M膠帶上打出所需數量、所需面積的空洞，將其貼在鈦箔上，遮擋鈦箔上非反應部分。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用含有NH4F的乙二醇的水溶液，恒壓(20-60V)，氧化時間114h，其中氧化電壓需低于拋光時的電壓。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在400-600°C下加熱熱處理0. 5-3h。
2)量子點敏化氧化鈦納米管陣列光電化學電池的組裝。將生長氧化鈦納米管陣列的鈦箔導電襯底，通過封裝和導線連接等工藝，使之作為工作電極，另外選用一個陰極組成兩電極體系，選用濃度為0. 01M-1M的電解質溶液，組裝成光電化學電池，包括光陽極，對電極和電解液，該光陽極包括量子點材料。對電極為鉬片電極、石墨電極或P型半導體電極等，電解質溶液包括硫化鈉、亞硫酸鈉水溶液等。3)采用化學浴的方法將CdS量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。Cd鹽選用 Cd (NO3)2，S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 0，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，清洗溶劑為甲醇。采用化學浴的方法將Cdk量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。Cd鹽選用 Cd (NO3)2，Se鹽選用Na2SeSO3作為Se源。Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1:5)。Na2SeSO3的制備方法為將0. 03M的Se粉在0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾。清洗溶劑為甲醇。通過控制化學浴時間及次數來控制量子點的厚度及分布，化學浴的時間為30min 到10小時，次數為1到10次。利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)及透射電鏡(TEM)等測試手段對制備的氧化鈦納米管陣列及量子點敏化電極進行了觀察研究，結果表明所制備的氧化鈦納米管陣列，為銳鈦礦結構，外徑為60-120納米，壁厚10納米-50納米，長度為500納米-1000微米，垂直于基底生長，量子點在納米管內外表面分布均勻。證明這種方法能夠制備出形貌、 結晶良好的氧化鈦納米管陣列及量子點敏化電極。對所制備的光電化學電池進行了光電轉性能的測試。采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，入射光強度lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站或恒電位儀，進行暗態和明態下的電流-電壓(I-V)曲線測試，電位掃描速度為 10mV/S。測試表明，所制電池光電響應迅速，光電流密度范圍從幾十納安到幾十毫安每平方厘米，開路電壓范圍從300毫伏到1400毫伏，光轉化效率范圍從0. 01 % -20%，最大轉化效率遠遠大大超過以往氧化鈦基的光電化學電池性能。有益效果采用成本低廉、環境友好、操作簡便的陽極氧化方法，通過設計反應系統，能夠快速制備出所需面積、所需數量的具有規整形貌的氧化鈦納米管陣列薄膜，可實現工業化生產。制備的量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池性能優越，具有高的光電轉換效率。本發明可以制備出大面積的形貌規整的氧化鈦納米管陣列及量子點敏化氧化鈦納米管電極。
圖1為實施例4所制備的量子點敏化氧化鈦納米管電極的截面SEM圖；圖2為實施例3所制備的量子點敏化氧化鈦納米管電極的光電化學電池的I-V曲線。
具體實施例方式實施例1
將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。將制備的氧化鈦納米管陣列中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為IM 硫化鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的氧化鈦納米管陣列，為銳鈦礦結構，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長。光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm) 作為模擬太陽光平行光源，強度控制為lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓(I-V)曲線測試，電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達2. 10mA/cm2。實施例2將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法將CdS量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。Cd鹽選用Cd (NO3)2, S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，清洗溶劑為甲醇。 將制備的CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用 3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，CdS量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為IOOmW/ cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓(I-V)曲線測試， 電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達11. 47mA/cm2，轉換效率6. 58%。實施例3將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3%WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法將CdS量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。Cd鹽選用Cd (NO3)2, S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，清洗溶劑為甲醇。 此過程重復6次以控制CdS量子點的厚度及分布。將制備的CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，CdS量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為IOOmW/ cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓(I-V)曲線測試， 電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達12. 57mA/cm2，轉換效率7. 95%。；圖 2為所制備的量子點敏化氧化鈦納米管電極的光電化學電池的I-V曲線。實施例4將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法將Cdk量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。Cd鹽選用 Cd (NO3)2，Se鹽選用Na2SeSO3作為Se源。Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1:5)。Na2SeSO3的制備方法為將0. 03M的Se粉在0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾。清洗溶劑為甲醇。將制備的CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CcKe量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，Cdk量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓(I-V) 曲線測試，電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達12. 42mA/cm2，轉換效率 8. 27%。圖1為所制備的量子點敏化氧化鈦納米管電極的截面SEM圖。實施例5將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐
7蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法將Cdk量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。Cd鹽選用 Cd (NO3)2，Se鹽選用Na2SeSO3作為Se源。Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1:5)。Na2SeSO3的制備方法為將0. 03M的Se粉在0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾。清洗溶劑為甲醇。此過程重復5并次。將制備的CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和 0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CcKe量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，Cdk量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓(I-V) 曲線測試，電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達13. 52mA/cm2，轉換效率 9. 35%。實施例6將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法分別將CdS、Cc^e量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。組裝CdS 量子點時，Cd鹽選用Cd (NO3)2, S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 0，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，清洗溶劑為甲醇。組裝Cdk量子點時，Cd鹽選用Cd(NO3)2, %鹽選用Na2SeSO3作為k源，Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 5), Na2SeSO3 的制備方法為將0. 03M的％粉在0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾。清洗溶劑為甲醇。將制備的C(Ke、CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CdSe、CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，CdSe, CdS量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。 光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓 (I-V)曲線測試，電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達18. 3mA/cm2，轉換效率 13. 56%。實施例7將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法分別將CdS、Cc^e量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。組裝CdS 量子點時，Cd鹽選用Cd (NO3)2, S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 0，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，清洗溶劑為甲醇。組裝Cdk量子點時，Cd鹽選用Cd (NO3)2Ae鹽選用NajeSO3作為k源，Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 5), Na2SeSO3 的制備方法為將0. 03M的％粉在0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾。清洗溶劑為甲醇。此過程分別重復6次。將制備的C(Ke、CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CdSe、CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，CdSe, CdS量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。 光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓 (I-V)曲線測試，電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達20.4mA/cm2，轉換效率 16. 31%。實施例8將鈦箔裁片為3*5cm，先經過丙酮、乙醇分別超聲清洗10分鐘。采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓60V，拋光10h。拋光后的鈦箔用去離子水超聲清洗10分鐘，得到明亮的鈦箔基底，用于制備氧化鈦納米管陣列。采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用0. 3% WtNH4F,2% wt H2O的乙二醇溶液，恒壓50V，氧化時間3h。陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于丙酮或其他有機溶劑中進行清洗。待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在450°C 下熱處理Ih。采用化學浴的方法分別將CdS、Cc^e量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上。組裝CdS量子點時，Cd鹽選用Cd (NO3)2, S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 0，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑(體積比1 5)，清洗溶劑為甲醇。組裝Cdk量子點時，Cd鹽選用Cd (NO3)2Ae鹽選用NajeSO3作為k源，Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑(體積比1 5), Na2SeSO3 的制備方法為將0. 03M的％粉在0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾。清洗溶劑為甲醇。此過程交替進行，分別重復6次。將制備的C(Ke、CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極中間部分留出0. 5cm2的固定面積，其余部分用3M膠帶密封，用銅線連接導電襯底，此電極為工作電極，另外選用鉬片作為陰極，選用濃度為0. 35M硫化鈉水溶液和0. 25M亞硫酸鈉水溶液作為電解液，組裝成光電化學電池。所制備的CdSe、CdS量子點敏化氧化鈦納米管電極，外徑為100納米，壁厚10納米，長度為16微米，垂直于基底生長，CdSe, CdS量子點在氧化鈦納米管內外壁附著均勻。 光電化學性能測試采用500W氙燈(波長范圍為200-2000nm)作為模擬太陽光平行光源，強度控制為lOOmW/cm2。將光電化學電池連接電化學工作站，進行暗態和明態下的電流-電壓 (I-V)曲線測試，電位掃描速度為10mV/S。測得電池最大光電流密度達19. 4mA/cm2，轉換效率 14. 85%。
權利要求
1.一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于具體步驟為1)將鈦箔基底進行裁片，超聲清洗，然后采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，電解液采用含有NH4F的乙二醇的水溶液，恒壓50-80V，拋光5-Mh ；拋光后的鈦箔超聲清洗后得到明亮的鈦箔基底；用打孔器在3M膠帶上打出設定數量、設定面積的空洞，將其貼在鈦箔上，遮擋鈦箔上非反應部分；采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，電解液采用含有NH4F的乙二醇的水溶液，恒壓20-60V，氧化時間Ι-Mh，其中氧化電壓需低于拋光時的電壓；陽極氧化完成后，將此納米管陣列薄膜置于有機溶劑中進行清洗；待其干燥后，將此基底置于馬弗爐中，在400-600°C下加熱熱處理0. 5-3h ；2)將生長氧化鈦納米管陣列的鈦箔導電襯底，通過封裝和導線連接工藝，使之作為工作電極，另外選用一個陰極組成兩電極體系，選用濃度為0. 01M-1M的電解質溶液，組裝成光電化學電池；3)采用化學浴的方法將CdS量子點或Cdk量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上；通過控制化學浴時間及次數來控制量子點的厚度及分布；化學浴的時間為30min到10小時，次數為1到10次；上述制備的氧化鈦納米管陣列，為銳鈦礦結構，外徑為60-120納米，壁厚10納米-50 納米，長度為500納米-1000微米，垂直于基底生長，量子點在納米管內外表面分布均勻。
2.根據權利要求1所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于對所制備的光電化學電池進行了光電轉性能的測試；采用500W氙燈波長范圍為 200-2000nm作為模擬太陽光平行光源，入射光強度lOOmW/cm2 ；將光電化學電池連接電化學工作站或恒電位儀，進行暗態和明態下的電流-電壓曲線測試，電位掃描速度為10mV/S ；所制電池光電響應迅速，光電流密度范圍從幾十納安到幾十毫安每平方厘米，開路電壓范圍從300毫伏到1400毫伏，光轉化效率范圍從0.01% -20%。
3.根據權利要求1所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于步驟幻中采用化學浴的方法將CdS量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上時，Cd鹽選用Cd (NO3)2，S鹽選用Na2S, Cd鹽和S鹽濃度均為0. 25M，Cd鹽溶液的溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑，乙醇和甲醇的體積比為1 5，S鹽溶液的溶劑為H2O和甲醇的混合溶劑，H2O 和甲醇的體積比為1 5，清洗溶劑為甲醇。
4.根據權利要求1所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于步驟幻中采用化學浴的方法將Cdk量子點組裝在氧化鈦納米管陣列上時，Cd 鹽選用Cd (NO3)2，Se鹽選用Na2SeSO3作為Se源；Cd鹽溶液濃度為0. 25M，溶劑為乙醇和甲醇的混合溶劑，乙醇和甲醇的體積比為1 5，Na2SeSO3的制備方法為將0. 03M的Se粉在 0. 03M Na2SO3的水溶液中70°C加熱回流幾；清洗溶劑為甲醇。
5.根據權利要求1所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于步驟幻中制備的光電化學電池包括光陽極，對電極和電解液。
6.根據權利要求5所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于光陽極包括量子點材料。
7.根據權利要求5所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于對電極為鉬片電極、石墨電極或P型半導體電極。
8.根據權利要求5所述的一種量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，其特征在于電解質溶液為硫化鈉水溶液或亞硫酸鈉水溶液。
全文摘要
本發明涉及到一種以鈦箔作為基底導電材料的量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池的制備方法，屬于太陽能電池制造技術領域。將鈦箔基底進行裁片，采用陽極氧化腐蝕的方法對鈦箔基底進行拋光處理，得到明亮的鈦箔基底；采用陽極氧化的方法制備氧化鈦納米管陣列，陽極氧化完成后，清洗；干燥，采用化學浴的方法將CdS、CdSe量子點及其組合組裝在氧化鈦納米管陣列上。另外選用一個陰極組成兩電極體系，組裝成光電化學電池。采用成本低廉、環境友好、操作簡便的陽極氧化方法，快速制備出所需面積、所需數量的具有規整形貌的氧化鈦納米管陣列薄膜，可實現工業化生產；制備的量子點敏化氧化鈦納米管光電化學電池性能優越，具有高的光電轉換效率。
文檔編號H01G9/20GK102509620SQ201110312139
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者曹傳寶, 邢校輝, 鄭春蕊 申請人:北京理工大學