染料敏化太阳能电池用氧化钛基纳米薄膜的研制

摘 要：对DSSC的光电阳极进行研究，利用旋转涂布法制备纳米管状结构的TiO2薄膜，其孔隙率很高，比表面积很大，可以吸附较多的染料，获得较高的光催化效率。对制备出的薄膜进一步进行改质处理，使TiO2薄膜的性能获得有效的改善，光催化效率进一步提高。利用XRD、紫外-可见分光光度计等技术分析薄膜性能表征，并测试改质处理后的光电转化性能及转化效率。

关键词：TiO2薄膜；旋转涂布法；改质处理

目前全球的经济正在快速发展，意味着人类对于能源的需求越来越大了，那么能否开发新能源就显得尤为重要。太阳能作为一种能源，不仅无任何污染而且永不枯竭，因此受到了广泛关注，而染料敏化纳米晶太阳能电池（DSSC）是开发利用太阳能的最有效途径之一。本文拟利用旋转涂布法制备纳米管状结构的TiO2薄膜，并改变镀液成分，进行金属离子掺杂，确定最佳掺杂浓度。利用XRD、紫外-可见分光光度计等分析技术对薄膜结构进行表征，并测试改质处理后的的光催化性能。

1 实验方法

利用HB-C型台式匀胶机、FY-1C型旋片式真空泵等设备制备TiO2薄膜，在镀液中掺入硝酸镍，并进行退火处理：300 ℃保温1h，500 ℃保温2h，升温速度2℃/min。

2 结果与分析

2.1 显微组织

图1是不同镍离子掺杂量条件下制备的TiO2薄膜的XRD谱图。

制备TiO2薄膜时，掺入不同量的镍离子后，XRD图的衍射峰和空白样相比，宽度明显增大，而且衍射峰强度也较低，分析原因是无序的晶间结构以及晶体中存在的缺陷会使点阵间距发生变化，进一步使得XRD谱图的衍射峰变宽变弱。

TiO2膜的XRD分析表明，掺杂延缓了TiO2晶粒的生长速率，抑制了晶粒大小，结晶完整，主晶相为锐钛矿型。

2.2 光触媒实验

配制亚甲基蓝溶液初始浓度为10mg/L，把已经制备好的TiO2薄膜加入到浓度为10mg/L的亚甲基蓝溶液中，在无光照条件下下放置一段时间，直至达到吸附平衡。利用紫外灯发出的紫外光线进行照射，紫外灯到液面保持适当的距离，每间隔一定时间将薄膜取出，利用用紫外分光光度计测定在亚甲基蓝溶液最大波长664 nm处的吸光度。由朗伯比尔定律可知，在低浓度时溶液浓度与吸光度呈良好的线性关系。所以，为了表征在降解过程中亚甲基蓝溶液浓度的变化需要测定相对吸光度值的变化。亚甲基蓝溶液有一个特征它经过紫外灯照射后会发生分解现象，所以不仅做了降解实验的而且需要做相应的空白实验进行对照，目的是减小对试验结果的影响。

本研究使用UV-Visible 为TU-1810型。分析参数：侦测光波长设定为660～670nm、讯号接收形式为吸收（Abs.）、强度大小设定由0到2.5、扫描间距为1nm且扫描速度设定为100nm/min。

由上图可知，相比于纯TiO2薄膜掺杂镍离子后的TiO2薄膜的降解能力明显提高。当Ni的掺杂浓度由1d升高至2d，亚甲基蓝的降解率逐渐提高；当Ni的掺杂浓度继续增加至3d和4d，掺杂后的样品对溶液的的降解率反而有所下降。那么这就意味着镍离子的掺杂浓度存在一个最佳值。当掺杂浓度低于最佳浓度时，薄膜中捕获光生载流子的陷阱数量不足，因此产生的光生电子以及空穴就无法达到最有效的分离状态；当掺杂浓度最佳的时候，空间电荷层的厚度此时恰好与入射光穿透深度值是相等的，这样光生电子以及空穴就可以进行最优分离，也就是进行的光催化反应最彻底；当掺杂浓度高于最佳浓度时，浓度过高会造成表面光生载流子复合中心的数量增多，对光催化反应式不利的。

由上各图可知，各薄膜的ln （C/C0）值与反应时间呈线性关系，并且相关系数比较好，说明掺杂TiO2薄膜降解亚甲基蓝溶液的变化均属于一级反应，即：

ln（C/C0） = Kt

式中，K為反应动力学常数。一般来说进行光催化降解反应时一级K值越大，薄膜的光催化活性越强。

3 结论

在半导体中掺杂金属离子后，一方面能够提高半导体的光催化效应，另一方面可以扩展半导体的吸收波长，其范围可以延伸至可见光区域。分析其原因可能是掺杂金属离子后TiO2薄膜晶格中的缺陷位置发生了变化，同时结晶度随着改变，成为电子或空穴的陷阱而延长寿命。

降解亚甲基蓝时，金属元素的掺杂浓度存在一个最佳值。光催化降解亚甲基蓝溶液试验结果表明，合适的金属离子可以有效提高TiO2薄膜的光催化活性，当Ni掺杂浓度为2d，光催化性能最佳，对亚甲基蓝溶液的降解率最大，不同掺杂量的薄膜对亚甲基蓝的降解遵循一级动力学方程。

参考文献：

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作者简介：贾永敏（1988-），女， 汉族，山东莱阳人，硕士助教，金属热处理。