韋浩民 南輝 楊桂軍 林紅 王剛

摘要：本論文通過改變前驅(qū)體濃度、水熱溫度等因素，使之對染料敏化太陽能電池納米棒生長產(chǎn)生影響，并通過對TiO2納米棒結(jié)構(gòu)、形貌等分析，研究確定合適的染料敏化太陽能電池納米棒制備條件，從而制備出具有較高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池。

關(guān)鍵詞：前驅(qū)體濃度 水熱溫度 TiO2納米棒

在太陽能電池領(lǐng)域中，決定整體太陽能轉(zhuǎn)換效率的重要光伏參數(shù)是開路電壓和短路電流，從微觀的角度來看，光電轉(zhuǎn)換過程由兩個基本過程組成，即光電子的產(chǎn)生和電路中的電荷傳輸。因此光伏特性的提高，可通過更有效的光吸收、更有效的電荷傳輸和較少的電荷復(fù)合來實(shí)現(xiàn)，從而將開發(fā)出有效提高電荷的轉(zhuǎn)移與收集的相應(yīng)關(guān)鍵材料。

目前，雖然有一些一維定向納米材料被成功制備出來，且展現(xiàn)出了更高電荷傳輸能力。但是制備出的一維定向納米材料尚未完全形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無法實(shí)現(xiàn)電子的高效傳輸：本論文通過改變前驅(qū)體濃度、水熱溫度等因素，使之對染料敏化太陽能電池納米棒生長產(chǎn)生影響，并通過對TiO2納米棒結(jié)構(gòu)、形貌等分析，研究確定合適的染料敏化太陽能電池納米棒制備條件，從而制備出具有較高轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)所用主要原料如下：鈦酸四丁酯（99%，上海晶純實(shí)業(yè)有限公司），濃鹽酸（36～38%，北京化學(xué)試劑），四氯化鈦（TiCl4）（99.9%，阿拉?。?，F(xiàn)TO導(dǎo)電玻璃（方阻15 Ω，厚度2.2mm；Nippon Sheet Glass，日本）。

1.2 TiO2納米棒的制備

首先將濃鹽酸與去離子水以1：1的比例充分混合后，將其裝入容量為50mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯的不銹鋼反應(yīng)釜中。將混合溶液攪拌10min，直至溶液透明為止，然后加入一定量的鈦酸丁酯（97%，Aldrich），并繼續(xù)在室溫下攪拌15min。將兩片F(xiàn)TO基板依次在去離子水、丙酮、無水乙醇中超聲清洗60min，然后放入先前處理好的聚四氟乙烯反應(yīng)釜中。將反應(yīng)釜密封后放入恒溫干燥箱爐中，在150-200℃條件下進(jìn)行水熱反應(yīng)2-8h。合成結(jié)束后，將反應(yīng)釜在空氣中降至室溫。取出FTO基板，用大量去離子水沖洗后，在空氣中干燥，即制備出在FTO基板生長的TiO2納米棒。

2 結(jié)果與討論

2.1 TiO2納米棒結(jié)構(gòu)表征

TiO2納米棒的XRD衍射圖見圖1。標(biāo)注*的峰為FTO薄膜的衍射峰，而（101）和（002）峰為金紅石型TiO2的，非常顯著，表明納米棒薄膜呈強(qiáng)烈的（101）和（002）取向。

2.2 不同條件下合成的TiO2納米棒形貌表征

2.2.1 不同前驅(qū)體濃度合成的TiO2納米棒形貌表征

圖2分別顯示了從0.35mL到0.48mL不同溫度下水熱的單晶TiO2納米棒表面形貌。水熱溫度為150℃，水熱時間為2h。

從圖3中可得，隨著鈦酸丁酯濃度提高，單晶直徑逐漸增大，而直徑增大，會造成比表面積下降。為提高單晶納米棒的比表面積，需直徑較小的合成條件。因此，0.42mL鈦酸丁酯是一個合適的值，此時得到納米棒直徑約為35 nm、面密度約為55/μm2。

2.2.2 不同水熱溫度合成的TiO2納米棒形貌表征

圖4分別顯示了從150℃到200℃不同溫度下水熱的單晶TiO2納米棒表面形貌。鈦酸丁酯含量為0.42mL，水熱時間為2h。

從圖4看出，水熱溫度在180 ℃以上時，納米棒之間開始相互復(fù)合，形貌變得不均一。此時，納米棒頂部表面含有許多臺階，而側(cè)面表面是光滑的。由此可判斷，在臺階邊緣，鈦的生長單元（比如，[Ti（OH）2Cl2（OH）2]0）不停增加，由此發(fā)生晶體長大。由于溫度升高，納米棒直徑增大，以致比表面積急劇下降。因此，150℃是一個合適的值。從圖5看到，180℃以上納米棒長度較大。如需要形貌均一，長度較大的合成條件，180℃是一個合適的值。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：青海大學(xué)中青年科研基金《仿生有機(jī)太陽能電池中電極納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究》資助（2011-QGY-6）。

作者簡介：韋浩民（1969-），男，江西上饒人，講師。王剛為通信作者。