碘掺杂钛基薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于二氧化钛薄膜材料制备技术领域。本发明专利技术所提供的碘掺杂钛基薄膜包括碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶薄膜和碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶／大颗粒薄膜两种。本发明专利技术通过将含有粒径为５～３５ｎｍ的ＴｉＯ↓［２］纳晶，且碘与钛的摩尔比为０．０１～０．５∶１的浆料进行涂膜，得到碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶薄膜；将同时含有粒径为５～３５ｎｍ的碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶和粒径为４００ｎｍ～５μｍ的碘掺杂ＴｉＯ↓［２］大颗粒，且碘掺杂ＴｉＯ↓［２］大颗粒与碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶的重量比为０．０１～０．３∶１，碘与钛的摩尔比为０．０１～０．５∶１的浆料进行涂膜，得到碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶／大颗粒薄膜。本发明专利技术简单易行，所得薄膜具有强吸附容量的同时具有可见光响应，光电吸收效率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于二氧化钛薄膜材料制备
，具体涉及用做染料敏化 太阳能电池光阳极的碘掺杂的二氧化钛薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着人类对能源需求的飞速增长，能源危机和环境污染成为急待解决 的严重问题。与其它能源相比，太阳能具有高效、环保、廉价和可再生的 优势。太阳能电池作为一种开发利用太阳能的重要方式而备受人们关注。近几年来，染料敏化太阳能电池(DSSCs)的研究获得了重大的进展， 而如何提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率是目前研究的重点之一。 染料敏化太阳能电池主要是由光诱导电荷分离来实现光电转换，因而开发 同时具备高比表面积和高光电吸收效率的半导体氧化物薄膜电极材料是提 高电池光电转换效率的关键因素和发展趋势。采用高比表面积的纳米晶多 孔二氧化钛(Ti02)薄膜作为光阳极，性能稳定，制备工艺简单，成本大大低 于传统硅电池，具有良好的发展前景。但是，常用二氧化钛材料的禁带宽度为3.2eV，仅能吸收利用太阳光中 波长小于380nm的紫外光，也就是只能利用到达地面的太阳光能的3~4%, 因此激发波长的限制成为了严重制约应用效率的一个瓶颈，如何缩短二氧 化钛的禁带宽度使其吸收光谱向可见光区扩展，充分利用太阳能成为解决 问题的关键。近年来用非金属改性二氧化钛，在半导体禁带内嵌入和提供 激发电子的能带，使其吸光范围向可见光波长范围扩展是研究的热点。早在1986年Sato等(Sato S. ， Chem. Phys. Lett. ， 1986, 123， 126)就 发现N的引入，可使Ti02具有可见光活性，但是一直没有引起人们的重视， 直到2001年Asahi等(Asahi R., Morikawa T. ， 0hwaki T. et al, Science, 2001， 293， 269 )在《科学》杂志上报道了 N替代少量的晶格氧可以使Ti02 的带隙变窄，在不降低紫外光下活性的同时，使Ti02具有可见光活性。Yu 等(Yu J. C. ， Yu J., Ho W. ， et al， Chem. Mater. ， 2002, 14， 3808 ) 采用四异丙氧基钛在NH4F水溶液中水解的方法制备了 F掺杂Ti02纳米晶催 4匕齐寸。Irie等(IrieH. ， Watanabe Y,, Hashimoto K. ， Chem. Lett., 2003， 32, 772)通过加热氧化TiC粉末的方法制备了 C掺杂的锐钬矿型Ti02粉末。 Umebayashi等(Umebayashi T., Yamaki T., ItohH., et al， Appl. Phys. Lett., 2002， 81, 454 )采用了氧化加热TiS2的方法制备了 S掺杂的Ti02 粉末。Luo等(Luo H., Takata T. ， Lee Y. ， et al， Chem. Mater., 2004， 16， 846 )采用水热合成的方法，以TiCh作为钛源，在氢溴酸和乙醇混合 溶液中合成Br和CI共掺杂的Ti02。碘作为一种新颖有效的非金属掺杂元素也被尝试着应用于半导体材料 改性领i或。如，Tanaka等(Tanaka T. ， Hayashida K. ， NishioM., et al， J. Appl. Phys., 2003， 93, 5302 )研究发现，用I掺杂ZnTe材料后，其 光化学性发生了显著变化，这就意味着I能够有效改善半导体材料的某些 应用性能。Hong等(Hong X. T. ， Wang Z. P. ， CaiW.M. et al， Chem. Mater.， 2005, 17， 1548 )通过水解法制备了硪修饰的Ti02催化剂，并且已证实掺 杂后的Ti02表现出了显著的可见光响应。然而，目前对于非金属元素掺杂 Ti02的研究大部分集中于光催化领域；同时，通过查阅国内外相关期刊文献6以及专利资料发现当前应用非金属元素掺杂的思路制备可见光响应型Ti02 薄膜，大都集中在N、 C掺杂，I摻杂Ti02材料虽然已被证实在紫外光和可 见光下都表现出了优越的光学性能，但却始终没有被合理有效地引入可见 光响应型薄膜材料制备及应用领域，在太阳能电池的应用上更是形成了 一 个空缺。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供具有可见光活性的碘掺杂钛基薄膜及其制备方法。本专利技术所提供的硪掺杂钛基薄膜材料包括两种，分别为碘掺杂TiOs纳 晶薄膜(I-TNC薄膜)和碘掺杂Ti02纳晶/大颗粒薄膜(I-TBP薄膜)。本专利技术所提供的硪掺杂Ti02纳晶薄膜由碘掺杂Ti02纳晶组成，碘掺杂 Ti02纳晶的粒径为5~35nm，碘与钛的摩尔比为0.01-0.5: 1,薄膜的厚度 为2 20jitn。本专利技术所提供的硤掺杂Ti02纳晶/大颗粒薄膜由碘掺杂Ti02纳晶和碘掺 杂Ti02大颗粒组成，薄膜中，碘掺杂Ti02纳晶的粒径为5~35nm,碘掺杂 Ti02大颗粒的粒径为400nm~ 5 jnm，碘掺杂Ti02大颗粒与石典掺杂Ti02纳晶的 重量比为0.01 ~ 0.3: 1，碘与钛的摩尔比为0.01 ~ 0.5: 1，薄膜的厚度为 2~20jum。本专利技术所提供的I-TNC薄膜的制备方法，包括以下步骤 1)在300 ~ 600转/分钟的搅拌转速下，将乙酸按乙酸与钛盐的体积比 为0. 01 ~ 0. 5: 1滴入钛盐中后，持续搅拌5 ~ 30分钟，而后加入硪酸的水 溶液或碘盐的水溶液，所得混合溶液中碘与钛的摩尔比为0. 01~0. 5: 1，加热至50~100°C，持续搅拌20~60分钟后，调节pH值〈7,再于120 ~ 250 。C加热2 20小时，得到含有硪掺杂Ti02纳晶的乳状液体，石典掺杂Ti02纳 晶的粒径为5~35nm，乳状液体中Ti02的固含量为5~30%;2) 将聚乙二醇20000 (PEG20000 )与^典掺杂Ti02纳晶的乳状液体混合 并研磨分散均匀后，加入溶剂调节浓度，得到Ti02的固含量为5~30%,聚 乙二醇20000的浓度为0. 001 ~ 0. 01g/ml的浆料，将浆料均匀涂敷在导电 基底上，而后在50 600。C下进行热处理0. 2~2小时，得到石g杂Ti02纳 晶薄膜。本专利技术所提供的I-TBP薄膜的制备方法，包括以下步骤 1)在300 ~ 600转/分钟的搅拌转速下，将乙酸按乙酸与钛盐的体积比 为O. 01~0. 5: l滴入钛盐中后，持续搅拌5 30分钟，而后加入硪酸的水 溶液或碘盐的水溶液，所得混合溶液中碘与钛的摩尔比为0. 01~0. 5: 1， 加热至50~100°C,持续搅拌20 60分钟后，调节pH值〈7，再于120 ~ 250 。C加热2~20小时，得到含有-緣杂Ti02纳晶的乳状液体，#杂Ti02纳 晶的粒径为5~35nm，乳状液体中Ti02的固含量为5~30%;2 )室温下，将碘单质、碘酸或碘盐按硤与钛的摩尔比为0. 01 ~ 0. 5: 1 溶入钬盐中，以300 ~ 600转/分钟的搅拌速率搅拌12 ~ 48小时后，于50 ~ IO(TC干燥12~24小时，最后于250 ~ 600°(:煅烧2~10小时，得到粒径为 400nm ~ 5拜的碘掺杂Ti02大颗粒；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碘掺杂钛基薄膜材料，其特征在于，所述的碘掺杂钛基薄膜为碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶薄膜，由碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶组成，碘掺杂ＴｉＯ↓［２］纳晶的粒径为５～３５ｎｍ，碘与钛的摩尔比为０．０１～０．５∶１，薄膜的厚度为２～２０μｍ。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陶霞，侯茜，郑言贞，许辉，陈建峰，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]