染料敏化太陽能電池用氧化鈦基納米薄膜的研制

摘 要：對DSSC的光電陽極進行研究，利用旋轉涂布法制備納米管狀結構的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。對制備出的薄膜進一步進行改質處理，使TiO2薄膜的性能獲得有效的改善，光催化效率進一步提高。利用XRD、紫外-可見分光光度計等技術分析薄膜性能表征，并測試改質處理后的光電轉化性能及轉化效率。

關鍵詞：TiO2薄膜；旋轉涂布法；改質處理

目前全球的經濟正在快速發展，意味著人類對于能源的需求越來越大了，那么能否開發新能源就顯得尤為重要。太陽能作為一種能源，不僅無任何污染而且永不枯竭，因此受到了廣泛關注，而染料敏化納米晶太陽能電池（DSSC）是開發利用太陽能的最有效途徑之一。本文擬利用旋轉涂布法制備納米管狀結構的TiO2薄膜，并改變鍍液成分，進行金屬離子摻雜，確定最佳摻雜濃度。利用XRD、紫外-可見分光光度計等分析技術對薄膜結構進行表征，并測試改質處理后的的光催化性能。

1 實驗方法

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

2 結果與分析

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，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，而且衍射峰強度也較低，分析原因是無序的晶間結構以及晶體中存在的缺陷會使點陣間距發生變化，進一步使得XRD譜圖的衍射峰變寬變弱。

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

2.2 光觸媒實驗

配制亞甲基藍溶液初始濃度為10mg/L，把已經制備好的TiO2薄膜加入到濃度為10mg/L的亞甲基藍溶液中，在無光照條件下下放置一段時間，直至達到吸附平衡。利用紫外燈發出的紫外光線進行照射，紫外燈到液面保持適當的距離，每間隔一定時間將薄膜取出，利用用紫外分光光度計測定在亞甲基藍溶液最大波長664 nm處的吸光度。由朗伯比爾定律可知，在低濃度時溶液濃度與吸光度呈良好的線性關系。所以，為了表征在降解過程中亞甲基藍溶液濃度的變化需要測定相對吸光度值的變化。亞甲基藍溶液有一個特征它經過紫外燈照射后會發生分解現象，所以不僅做了降解實驗的而且需要做相應的空白實驗進行對照，目的是減小對試驗結果的影響。

本研究使用UV-Visible 為TU-1810型。分析參數：偵測光波長設定為660～670nm、訊號接收形式為吸收（Abs.）、強度大小設定由0到2.5、掃描間距為1nm且掃描速度設定為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Ni的摻雜濃度由1d升高至2d，亞甲基藍的降解率逐漸提高；當Ni的摻雜濃度繼續增加至3d和4d，摻雜后的樣品對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最佳值。當摻雜濃度低于最佳濃度時，薄膜中捕獲光生載流子的陷阱數量不足，因此產生的光生電子以及空穴就無法達到最有效的分離狀態；當摻雜濃度最佳的時候，空間電荷層的厚度此時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行最優分離，也就是進行的光催化反應最徹底；當摻雜濃度高于最佳濃度時，濃度過高會造成表面光生載流子復合中心的數量增多，對光催化反應式不利的。

由上各圖可知，各薄膜的ln （C/C0）值與反應時間呈線性關系，并且相關系數比較好，說明摻雜TiO2薄膜降解亞甲基藍溶液的變化均屬于一級反應，即：

ln（C/C0） = Kt

式中，K為反應動力學常數。一般來說進行光催化降解反應時一級K值越大，薄膜的光催化活性越強。

3 結論

在半導體中摻雜金屬離子后，一方面能夠提高半導體的光催化效應，另一方面可以擴展半導體的吸收波長，其范圍可以延伸至可見光區域。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生了變化，同時結晶度隨著改變，成為電子或空穴的陷阱而延長壽命。

降解亞甲基藍時，金屬元素的摻雜濃度存在一個最佳值。光催化降解亞甲基藍溶液試驗結果表明，合適的金屬離子可以有效提高TiO2薄膜的光催化活性，當Ni摻雜濃度為2d，光催化性能最佳，對亞甲基藍溶液的降解率最大，不同摻雜量的薄膜對亞甲基藍的降解遵循一級動力學方程。

參考文獻：

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

[2]王書亮.納米二氧化鈦薄膜的制備及金屬離子摻雜對其結構和性能的影響[D]. 廈門大學， 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，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.

作者簡介：賈永敏（1988-），女， 漢族，山東萊陽人，碩士助教，金屬熱處理。