基于双层TiO2复合ZnO薄膜电池的制备及光电性能的研究
采用二氧化钛(P25)、粘接剂和溶剂经研磨制备致密二氧化钛薄膜，并结合水热法在致密薄膜上制备多孔二氧化钛薄膜，然后再将其浸渍在醋酸锌溶液中制备成TiO2/ZnO 复合薄膜，将所制得的复合薄膜分别作为光阳极制备成染料敏化太阳能电池。通过对光电性能的比较研究，底层致密外层多孔二氧化钛薄膜远远优于致密二氧化钛薄膜，而在醋酸锌中浸泡80 min 时所得TiO2/ZnO 复合薄膜的光电性能最好，光电转换效率高达4.36%。
本文通过一定比例的二氧化钛粉末、粘接剂及溶剂经研磨并配合水热法采用涂敷法，在导电玻璃的导电面上制备底层致密外部多孔的双层TiO2 薄膜，通过优化其结构，来降低由于薄膜表面过于致密或过于疏松而致使染料吸附量不足或与基体结合不牢固对电池的光电性能所造成的影响。并在此基础上通过复合半导体ZnO 来改变TiO2 薄膜的能级结构，使导带与带隙能发生交迭，提高光生电荷的分离效率，扩展纳米TiO2的光谱响应，使其有利于电子的传输与转移，降低电子- 空穴的复合概率，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这样有助于提高电池的光电性能。
致密TiO2 薄膜电极的制备
称取1.2 g TiO2 粉末(P25)并加入一定量的正丁醇于研钵中，待研磨40min 后加入一定量的粘结剂乙基纤维素EC 的正丁醇溶液(二氧化钛与乙基纤维素的质量比为8：5) 研磨30 min 后，再加入0.2 mL 的OP 乳化剂，研磨10 min 后，再加入松油醇，混合均匀后研磨60 min 制成浆料。之后将其分别均匀涂敷于6 块FTO 的导电面上。镀完薄膜后，放入温度为80℃的保温箱中干燥10 min，之后冷却至室温。然后将它们都放入马弗炉中50 min升温到500℃并保温30 min。取其中一组浸泡于N719 染料中24 h (暗室存放)，然后取出用乙醇浸泡5 min，在暗处自然晾干，即得到致密二氧化钛薄膜电极。其余5 组放入无尘环境中待用。
底层致密外层多孔TiO2 双层薄膜电极的制备
首先取适量的异丙醇加入5 mL 钛酸正丁酯溶液中，搅拌的同时加入20 mL 盐酸溶液中。加热剧烈搅拌6 h 后得到乳白色半透明的前驱体。将所得溶液加入到水热反应釜中在220℃~250℃范围内反应12 h，取出后加入少量OP 乳化剂并搅拌。将所得胶体在之前制备的处于待用的5 组致密TiO2 薄膜上涂敷，放入保温箱在80℃条件下干燥10 min。然后将它们都放入马弗炉中50 min 升温到500℃并保温30 min。取其中一组经染料浸泡后即得到底层呈致密结构，外层呈多孔二氧化钛双层薄膜电极，其余4 组待用。
双层TiO2 复合ZnO 薄膜电极的制备
首先将醋酸锌(Zn (Ac)2·2H2O) 溶入纯度为98%的无水乙醇中，在室温条件下充分搅拌直至其完全溶解，制成乳白色的前驱体溶液，浓度为8×10-3 mol/L。将上一步中待用的4 组二氧化钛多孔薄膜浸入溶液中，浸泡时间分别为40 min、80 min、120 min、160 min，取出后用无水乙醇进行清洗。清洗结束后干燥。之后将薄膜放入马弗炉中升温至500℃，保温30 min，最后自然冷却，即制备成TiO2/ZnO 复合薄膜。再将其浸泡于染料中，则可分别得到相应的TiO2/ZnO 复合薄膜电极。
电池的组装及光电性能测量
将上述所制备的电极作为电池的正电极(光阳极)分别与以镀铂电极为对电阴极用夹子固定，以含0.5 mol/L LiI 和0.05 mol/L LiI2 和0.5 mol/L的四叔丁基吡啶的乙腈(天津市大茂化学仪器供应站)溶液作电解液，组装成电池。然后连接好电路图，用入射光强Pin 为100 mW/cm2 的氙灯作为太阳光模拟光源，用高灵敏度万用表测量所制备电池的短路电流ISC 和开路电压VOC。
表征与分析
用粉末X 射线衍射(powder X- ray diffraction,XRD , 岛津，XRD- 6000) 来检测二氧化钛晶体结构, 用UANTA 400/INCA/HKL 热场发射扫描电镜/X- 射线能谱联用仪/ 电子背散射衍射系统来观察TiO2 薄膜表面和横断面形貌。
结论
(1)通过对实验工艺和条件的控制制成了光电性能良好的呈锐钛矿相的TiO2 薄膜，并采用一定比例的二氧化钛粉末、粘接剂及溶剂经研磨并配合水热法采用涂敷法制成了底层致密外层多孔结构的双层薄膜，其与单一结构的致密薄膜相比，能够大大提高电池的短路电流，填充因子等性能参数，有助于提高电池的效率。
(2)通过将底层致密外层多孔的TiO2 双层薄膜复合ZnO 半导体，使其比单一半导体具有更好的稳定性和催化活性，提高了电极禁带宽度及光电响应，从而改进了光阳极的光电性能，提高了电池的光电转换效率。同时薄膜的厚度及浸渍时间对电池的性能也有很大的影响，经试验测试对比，将膜厚为13 μm 的底层致密外层多孔TiO2薄膜在浓度8×10- 3 mol/L 的醋酸锌浸渍80 min时，薄膜性能最优，光电转换效率达到4.36%。
