二氧化钛浆料、其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种二氧化钛浆料、其制备方法和应用，所述二氧化钛浆料包括纳米晶二氧化钛低维材料、粘结剂和有机载体，其中，所述有机载体包括二元醇醚类和/或醋酸酯类溶剂，所述粘结剂包括羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙二醇中的至少一种，所述纳米晶二氧化钛低维材料，粘结剂和有机载体的质量比为（1~2）：（0.2~1）：（7~8.8）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源
，具体涉及一种适用于染料敏化太阳能电池领域的二 氧化钛浆料、其制备方法，以及采用该二氧化钛浆料制备的光阳极。
技术介绍
煤炭，石油等不可再生能源的短缺问题以及环境污染问题的加剧，使得如何有效 利用安全，洁净，无污染且不受地理位置局限的太阳能资源愈加迫切。太阳能电池这种将太 阳能转换为电能的新能源领域已成为众多研究者关注的领域。在各种不同类型的太阳能电 池中，染料敏化太阳能电池以其光电转换效率高，制备工艺简单，成本低廉，对光照强度依 赖小等优点受到广泛关注。自从1991年瑞士洛桑高工（EPFL)M.Grtzel教授领导的研究小 组在该技术上取得突破以来，世界各国投入大量资金研发，并在近年来迈向产业化。 染料敏化太阳能电池主要包括半导体光阳极，对电极以及位于半导体光阳极和对 电极之间的电解质。染料敏化纳米二氧化钛薄膜电池工作原理如下：在太阳光作用下，染料 分子中的电子受激发跃迁至激发态，激发态不稳定，电子很快注入到较低能级的二氧化钛 导带，空穴则留在染料中，此时染料分子变为氧化态。电子在二氧化钛薄膜中传输至导电底 层，然后经外电路转移至对电极，产生光电流。氧化态的染料分子被电解液中的I-还原，染 料分子再生。被氧化的13-在对电极得到电子还原为1-，完成电子传输过程的一个循坏。 染料敏化太阳能电池中，半导体光阳极是其重要组成部分，它不仅是吸附染料的 载体，也是传输电子的载体。染料敏化半导体材料多用二氧化钛，二氧化钛具有对人体无毒 性，稳定性好，来源丰富，造价便宜等优点。目前制备二氧化钛薄膜光阳极的方法主要有溶 胶-凝胶法、水热反应法、溅射法、醇盐水解法、溅射沉积法、等离子喷涂法和丝网印刷法。 其中，通过丝网印刷制备二氧化钛薄膜快速，简便，膜厚可控，能制备高品质且大面积的薄 膜，是降低生产成本，并实现大批量工业化生产染料敏化太阳能电池的有效途径。因此，制 备分散性良好，稳定性高，高比表面及高孔隙率，粘度适中，易于丝网印刷并成膜性佳的二 氧化钛浆料十分重要。 中国专利（公开号101314523)公开了一种研磨法制备二氧化钛浆料的方法，然 而，该方法制备的二氧化钛浆料通过刮刀法制膜，不能通过丝网印刷快速简便的制备高品 质，大面积且膜厚可控的二氧化钛薄膜。中国专利（公开号101434410A)公开了一种有机 溶剂为松油醇或二甘醇二苯甲酸脂的二氧化钛浆料的制备方法，然而，该方法制备的二氧 化钛浆料，采用涂敷法制膜，制膜效率低，膜厚及膜表面形貌难以控制，不适合工业化生产。 中国专利（公开号102674453A)公开了一种二氧化钛乙醇溶液与松油醇和乙基纤维素混合 制得的浆料，分散性好，涂膜均匀，然而由于体系中挥发性溶剂乙醇的存在，浆料的稳定性 差，长期使用过程中由于乙醇的挥发将导致浆料中二氧化钛含量变化，影响浆料的长期稳 定性。中国专利（申请号为2012105779925)公开了一种用二氧化钛制备染料敏化太阳能 电池光阳极的方法，以松油醇和乙基纤维素混合物为有机载体，加入分散剂和醇醚类修饰 剂改善二氧化钛膜与基底的结合力，但是体系中的有机载体松油醇粘度高，所得浆料剪切 粘度大，对制膜工艺要求较高。 因此如何通过简便易行的方法，制备高性能的染料敏化电池用光阳极，为本领域 技术人员的一个重要研究方向之一。
技术实现思路
本专利技术旨在进一步提高现有染料敏化电池用光阳极的性能，本专利技术提供了一种适 用于染料敏化太阳能电池领域的二氧化钛浆料、其制备方法，以及采用该二氧化钛浆料制 备的光阳极。 本专利技术提供了一种二氧化钛浆料，其特征在于，所述二氧化钛浆料包括纳米晶二 氧化钛低维材料、粘结剂和有机载体，其中，所述有机载体包括二元醇醚类和/或醋酸酯类 溶剂，所述粘结剂包括羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲 基纤维素、乙基纤维素、聚乙二醇中的至少一种，所述纳米晶二氧化钛低维材料，粘结剂和 有机载体的质量比为（1?2) : (0. 2?1) : (7?8. 8)。 较佳地，所述纳米晶二氧化钛低维材料包括以下物质中的至少一种：二氧化钛纳 米颗粒、二氧化钛纳米管、二氧化钛纳米花、二氧化钛纳米棒、二氧化钛纳米带、二氧化钛纳 米线；所述纳米晶二氧化钛低维材料的微观尺度小于1Um。 较佳地，所述二元醇醚类和/或醋酸酯类溶剂选自二乙二醇丁醚、二乙二醇丁醚 醋酸酯、丙二醇甲醚、丙二醇甲醚醋酸酯和丙二醇甲醚丙酸酯中的至少一种。 较佳地，所述纳米晶二氧化钛低维材料，粘结剂和有机载体的质量比为（1.7? 2) :0? 8 :7. 2。 又，本专利技术提供了一种上述二氧化钛浆料的制备方法，所述制备方法包括： 1) 先将纳米晶二氧化钛低维材料溶于醇中得到二氧化钛醇溶液； 2) 向步骤1)制备的二氧化钛醇溶液中加入粘结剂、有机载体，均匀分散、真空度为 10?50mbar且温度为30?80°C下蒸发去除醇后，得到二氧化钛浆料。 较佳地，所述醇包括醇类和/或聚醇类，所述二氧化钛醇溶液的固含量为 5% -15%。 较佳地，分散的方式包括高剪切、磁力搅拌、超声粉碎、球磨，分散8?24小时；去 除醇的方式包括旋转蒸发；二氧化钛浆料经过辊压处理。 另外，本专利技术还提供了一种上述二氧化钛浆料的应用，采用所述二氧化钛浆料通 过丝网印刷制备光阳极。 较佳地，所述光阳极上的二氧化钛薄膜的厚度为5-20微米；采用氧化铟锡导电玻 璃为导电衬底，在lOOmW/cm2的光照强度下光电转换效率为7. 95% -8. 12%。 本专利技术还提供一种采用上述二氧化钛浆料制备上述光阳极的方法，所述制备方法 包括： 通过丝网印刷将所述二氧化钛浆料印刷至导电衬底上，烘干后在400- 600°C煅烧，得 到所述二氧化钛光阳极。 较佳地，在80-120°C下烘干，在400-600°C下烧结20-60分钟。 本专利技术的有益效果： 本专利技术所述的一种二氧化钛浆料以二元醇醚酯为有机载体，显著降低了浆料的剪切粘 度，使得丝网印刷时二氧化钛浆料能够轻易通过网孔印刷至基板上，且所印刷薄膜表面在 丝网与基板分离后能够快速流平，得到表面平整，边缘完整无残缺的高质量薄膜。本专利技术所 述的二氧化钛浆料特别适用于全自动丝网印刷机连续作业制备光阳极，大大简化了制造工 艺，降低了生产成本，拓展了染料敏化太阳能电池光阳极工业化前景； 本专利技术所述的光阳极具有薄膜孔径、孔隙率高，薄膜与导电基地结合力强，不易开裂， 光电转换效率高等优点。将本专利技术的光阳极应用于染料敏化太阳能电池时，以氧化铟锡导 电玻璃为导电衬底，在100mW/cm2的光照强度下得到了 8. 0%以上的光电转换效率。【附图说明】 图1示出了本专利技术一个实施方式中制备的二氧化钛浆料（方点线）以及基于松油 醇为有机载体制备得到的二氧化钛浆料在〇?8S<剪切速率范围内的粘度变化曲线（圆点 线）； 图2示出了本专利技术一个实施方式中制备的二氧化钛浆料形貌的照片（A)以及基于松 油醇为有机载体制备得到的二氧化钛浆料的形貌照片（B)，其中第一组显示了浆料静置时 的状态，第二组显示了用刮棒将浆料抹开后浆料的状态，第三组显示了浆料被抹开并静置1 分钟后浆料的状态； 图3示出了本专利技术的一个实施方式中制备的二氧化钛浆料的孔径分布曲线（方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二氧化钛浆料，其特征在于，所述二氧化钛浆料包括纳米晶二氧化钛低维材料、粘结剂和有机载体，其中，所述有机载体包括二元醇醚类和/或醋酸酯类溶剂，所述粘结剂包括羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素、乙基纤维素、聚乙二醇中的至少一种，所述纳米晶二氧化钛低维材料，粘结剂和有机载体的质量比为（1‑2）：（0.2‑1）：（7‑8.8）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邵君，杨松旺，许刚刚，李勇明，刘岩，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31