黑色TiO2在染料敏化太阳能电池中的应用

汪鑫

摘要：本文简要的介绍了黑色TiO2在燃料敏化太阳能电池中的应用，从黑色TiO2的研究进展、结构性质、光催化机理、优点及应用等方面展开了介绍。

关键词：TiO2；光催化；纳米

染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型的薄膜太阳能电池，以其简单的制作工艺、低廉的成本、较高的光电转化率以及良好的应用前景而备受关注。Pt是染料敏化太阳能电池对电极中最常用的材料，而黑色二氧化钛及其复合物在这方面的应用还鲜有报导。具有较明朗的发展前景。

1.1 TiO2的研究进展

近年来，纳米TiO2因具有特殊的光、电方面的性质，而成为材料科学领域研究热点。目前各种形貌的纳米TiO2材料已被合成出来，并用于染料敏化太阳能电池光阳极，如TiO2纳米颗粒、纳米薄膜、纳米线网络结构、核-壳结构、空心球等，各种不同的研究发现有如下几种[1]：

（1）与非金属半导体复合：根据电极氧化还原法制备非金属元素与TiO2双向掺杂的复合体系，这种复合光催化剂可以在可见光范围内被激活。

（2）TiO2纳米管：采用电化学方法在钛基表面原位构筑TiO2纳米管阵列结构，可用于气体净化和污水深度处理。

（3）TiO2包覆：将TiO2用作PVC的紫外屏蔽改性剂，从而制得PVC/纳米TiO2复合薄膜，降低了PVC的老化程度。

最新发现的黑色二氧化钛纳米晶，不同于高温氢气还原的黑色氧化钛，为一种核壳结构，核区仍为结晶的二氧化钛，外壳为无定型的结构，其中无序的外壳是使白色二氧化钛变成黑色的功能区域，无序的外壳包含氧空位或非金属X掺杂（X=H、N、S、I）。该结构可导致对太阳光的吸收高达85%，远优于文献报道（30%）。

1.2 TiO2的结构性质

TiO2在自然界中以三种结构存在：

金红石型、锐钛矿型和板钛矿型，其中锐钛矿型和金红石型TiO2具有较高的催化活性，尤以锐钛矿型光催化活性最佳。锐钛矿型和金红石型的晶型结构均由相互连接的TiO2八面体组成，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同，两者的价带位置相同，光生空穴具有相同的氧化能力；但锐钛矿相导带的电位更负，光生电子还原能力增强。八面体间相互连接方式包括共边和共顶点两种情况[2]。

锐钛矿型TiO2为四方晶系，其中每个八面体与周围8个八面体相连接（4个共边，4个共顶角），4个TiO2分子组成一个晶胞。金红石型TiO2也为四方晶系，晶格中心为Ti原子，八面体棱角上为6个氧原子，每个八面体与周围10个八面体相联（其中有两个共边，八个共顶角），两个TiO2分子组成一个晶胞，其八面体畸变程度较锐钛矿型要小，对称性不如锐钛矿型，其Ti-Ti键长较锐钛矿型小，而Ti-O键长较锐钛矿大。板钛矿型TiO2为斜方晶系，6个TiO2分子组成一个晶胞。

三种相似金红石相最稳定，而锐钛矿和板钛矿在加热处理过程中会发生不可逆的放热反应，最终将转变为金红石相。

1.3 TiO2光催化剂的催化机理

半导体材料自身的光电特性决定了它可以作为催化剂。由于半导体粒子具有能带结构，一般由一个充满电子的价带（VB，低能量）和一个空的导带（CB，高能量）构成，它们之间为禁带。当半导体受到能量等于或大于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子（e-）手激发，穿过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴（h+）。

由于半导体粒子的能带间缺少连续区域，因而与金属相比较，半导体的电子-空穴对的復合时间相对较长。半导体受光激发后产生的电子-空穴对，在能量的作用分离并迁移到粒子表面的不同位置，与吸附在TiO2表面的物质发生氧化和还原反应[3]。TiO2产生的光生空穴的还原电位为3.0eV（与标准氢电极相比），极易与水和表面羟基发生反应生成-OH自由基，其还原电位约为2.7eV。由于光生空穴和-OH自由基有很强的氧化能力，可夺取吸附在TiO2颗粒表面有机物的电子，从而使有机物得以氧化分解。光生电子具有强还原性，可与溶解在水中的氧发生反应，生成O2-，O2-再与H+发生一系列反应，最终生成-OH自由基。

1.4 TiO2光催化剂的优点

（1） 水中所含多种有机污染物可被完全降解成CO2，H2O等，无机污染物被氧化或还原为无害物；

（2） 不需要另外的电子受体；

（3） 合适的光催化剂具有廉价无毒，稳定及可重复利用等优点；

（4） 可以利用太阳能作为光源激活光催化剂；

（5） 结构简单，操作容易控制，氧化能力强，无二次污染；

（6） 较好的光电转化效率。

1.5 纳米TiO2在其他方面的应用

（1）环境方面：无机污染物的光催化氧化还原；有机化合物的光催化降解

（2）卫生保健方面：可以与生活用水的杀菌消毒；负载TiO2光催化剂的玻璃，陶瓷等是卫生设施抗菌除臭的理想材料

（3）塑料：纳米TiO2对塑料不仅起补强作用，而且可使料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高。

参考文献：

[1] 许泽辉，染料敏化太阳能电池光阳极材料TiO2的制备与改性[D].2009，09.

[2] 姜春华.染料敏化纳米晶体TiO2太阳能电池的对电极结构[J].感光科学与光化学，2011，05：325-334.

[3] 李国，染料敏化太阳能电池对电机的发展，材料导报， 2007，21（12）.endprint