不同条件下制备的TiO2纳米棒形貌特征研究

韦浩民 南辉 杨桂军 林红 王刚

摘要：本论文通过改变前驱体浓度、水热温度等因素，使之对染料敏化太阳能电池纳米棒生长产生影响，并通过对TiO2纳米棒结构、形貌等分析，研究确定合适的染料敏化太阳能电池纳米棒制备条件，从而制备出具有较高转化效率的太阳能电池。

关键词：前驱体浓度 水热温度 TiO2纳米棒

在太阳能电池领域中，决定整体太阳能转换效率的重要光伏参数是开路电压和短路电流，从微观的角度来看，光电转换过程由两个基本过程组成，即光电子的产生和电路中的电荷传输。因此光伏特性的提高，可通过更有效的光吸收、更有效的电荷传输和较少的电荷复合来实现，从而将开发出有效提高电荷的转移与收集的相应关键材料。

目前，虽然有一些一维定向纳米材料被成功制备出来，且展现出了更高电荷传输能力。但是制备出的一维定向纳米材料尚未完全形成网络结构，无法实现电子的高效传输：本论文通过改变前驱体浓度、水热温度等因素，使之对染料敏化太阳能电池纳米棒生长产生影响，并通过对TiO2纳米棒结构、形貌等分析，研究确定合适的染料敏化太阳能电池纳米棒制备条件，从而制备出具有较高转化效率的太阳能电池。

1 实验部分

1.1 实验原料

本实验所用主要原料如下：钛酸四丁酯（99%，上海晶纯实业有限公司），浓盐酸（36～38%，北京化学试剂），四氯化钛（TiCl4）（99.9%，阿拉丁），FTO导电玻璃（方阻15 Ω，厚度2.2mm；Nippon Sheet Glass，日本）。

1.2 TiO2纳米棒的制备

首先将浓盐酸与去离子水以1：1的比例充分混合后，将其装入容量为50mL的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中。将混合溶液搅拌10min，直至溶液透明为止，然后加入一定量的钛酸丁酯（97%，Aldrich），并继续在室温下搅拌15min。将两片FTO基板依次在去离子水、丙酮、无水乙醇中超声清洗60min，然后放入先前处理好的聚四氟乙烯反应釜中。将反应釜密封后放入恒温干燥箱炉中，在150-200℃条件下进行水热反应2-8h。合成结束后，将反应釜在空气中降至室温。取出FTO基板，用大量去离子水冲洗后，在空气中干燥，即制备出在FTO基板生长的TiO2纳米棒。

2 结果与讨论

2.1 TiO2纳米棒结构表征

TiO2纳米棒的XRD衍射图见图1。标注*的峰为FTO薄膜的衍射峰，而（101）和（002）峰为金红石型TiO2的，非常显著，表明纳米棒薄膜呈强烈的（101）和（002）取向。

2.2 不同条件下合成的TiO2纳米棒形貌表征

2.2.1 不同前驱体浓度合成的TiO2纳米棒形貌表征

图2分别显示了从0.35mL到0.48mL不同温度下水热的单晶TiO2纳米棒表面形貌。水热温度为150℃，水热时间为2h。

从图3中可得，随着钛酸丁酯浓度提高，单晶直径逐渐增大，而直径增大，会造成比表面积下降。为提高单晶纳米棒的比表面积，需直径较小的合成条件。因此，0.42mL钛酸丁酯是一个合适的值，此时得到纳米棒直径约为35 nm、面密度约为55/μm2。

2.2.2 不同水热温度合成的TiO2纳米棒形貌表征

图4分别显示了从150℃到200℃不同温度下水热的单晶TiO2纳米棒表面形貌。钛酸丁酯含量为0.42mL，水热时间为2h。

从图4看出，水热温度在180 ℃以上时，纳米棒之间开始相互复合，形貌变得不均一。此时，纳米棒顶部表面含有许多台阶，而侧面表面是光滑的。由此可判断，在台阶边缘，钛的生长单元（比如，[Ti（OH）2Cl2（OH）2]0）不停增加，由此发生晶体长大。由于温度升高，纳米棒直径增大，以致比表面积急剧下降。因此，150℃是一个合适的值。从图5看到，180℃以上纳米棒长度较大。如需要形貌均一，长度较大的合成条件，180℃是一个合适的值。

参考文献：

[1]X.J.Feng，K.Shankar，O.K.Varghese，M.Paulose，T.J.Latempa，C.A.Grimes，Nano Lett.2008，8，3781.

[2]Pottier，A.；Chaneac，C.；Tronc，E.；Mazerolles，L.；Jolivet，J.P.J.Mater.Chem.2001，11，1161-1121.

[3]陈超，王智宇.二氧化钛纳米棒的制备及其晶体生长机理分析[J].无机材料学报，2012（01）.

基金项目：青海大学中青年科研基金《仿生有机太阳能电池中电极纳米结构设计研究》资助（2011-QGY-6）。

作者简介：韦浩民（1969-），男，江西上饶人，讲师。王刚为通信作者。