黑色TiO2在染料敏化太陽能電池中的應用

汪鑫

摘要：本文簡要的介紹了黑色TiO2在燃料敏化太陽能電池中的應用，從黑色TiO2的研究進展、結構性質、光催化機理、優點及應用等方面展開了介紹。

關鍵詞：TiO2；光催化；納米

染料敏化太陽能電池（DSSC）是一種新型的薄膜太陽能電池，以其簡單的制作工藝、低廉的成本、較高的光電轉化率以及良好的應用前景而備受關注。Pt是染料敏化太陽能電池對電極中最常用的材料，而黑色二氧化鈦及其復合物在這方面的應用還鮮有報導。具有較明朗的發展前景。

1.1 TiO2的研究進展

近年來，納米TiO2因具有特殊的光、電方面的性質，而成為材料科學領域研究熱點。目前各種形貌的納米TiO2材料已被合成出來，并用于染料敏化太陽能電池光陽極，如TiO2納米顆粒、納米薄膜、納米線網絡結構、核-殼結構、空心球等，各種不同的研究發現有如下幾種[1]：

（1）與非金屬半導體復合：根據電極氧化還原法制備非金屬元素與TiO2雙向摻雜的復合體系，這種復合光催化劑可以在可見光范圍內被激活。

（2）TiO2納米管：采用電化學方法在鈦基表面原位構筑TiO2納米管陣列結構，可用于氣體凈化和污水深度處理。

（3）TiO2包覆：將TiO2用作PVC的紫外屏蔽改性劑，從而制得PVC/納米TiO2復合薄膜，降低了PVC的老化程度。

最新發現的黑色二氧化鈦納米晶，不同于高溫氫氣還原的黑色氧化鈦，為一種核殼結構，核區仍為結晶的二氧化鈦，外殼為無定型的結構，其中無序的外殼是使白色二氧化鈦變成黑色的功能區域，無序的外殼包含氧空位或非金屬X摻雜（X=H、N、S、I）。該結構可導致對太陽光的吸收高達85%，遠優于文獻報道（30%）。

1.2 TiO2的結構性質

TiO2在自然界中以三種結構存在：

金紅石型、銳鈦礦型和板鈦礦型，其中銳鈦礦型和金紅石型TiO2具有較高的催化活性，尤以銳鈦礦型光催化活性最佳。銳鈦礦型和金紅石型的晶型結構均由相互連接的TiO2八面體組成，兩者的差別在于八面體的畸變程度和八面體間相互連接的方式不同，兩者的價帶位置相同，光生空穴具有相同的氧化能力；但銳鈦礦相導帶的電位更負，光生電子還原能力增強。八面體間相互連接方式包括共邊和共頂點兩種情況[2]。

銳鈦礦型TiO2為四方晶系，其中每個八面體與周圍8個八面體相連接（4個共邊，4個共頂角），4個TiO2分子組成一個晶胞。金紅石型TiO2也為四方晶系，晶格中心為Ti原子，八面體棱角上為6個氧原子，每個八面體與周圍10個八面體相聯（其中有兩個共邊，八個共頂角），兩個TiO2分子組成一個晶胞，其八面體畸變程度較銳鈦礦型要小，對稱性不如銳鈦礦型，其Ti-Ti鍵長較銳鈦礦型小，而Ti-O鍵長較銳鈦礦大。板鈦礦型TiO2為斜方晶系，6個TiO2分子組成一個晶胞。

三種相似金紅石相最穩定，而銳鈦礦和板鈦礦在加熱處理過程中會發生不可逆的放熱反應，最終將轉變為金紅石相。

1.3 TiO2光催化劑的催化機理

半導體材料自身的光電特性決定了它可以作為催化劑。由于半導體粒子具有能帶結構，一般由一個充滿電子的價帶（VB，低能量）和一個空的導帶（CB，高能量）構成，它們之間為禁帶。當半導體受到能量等于或大于禁帶寬度的光照射時，其價帶上的電子（e-）手激發，穿過禁帶進入導帶，同時在價帶上產生相應的空穴（h+）。

由于半導體粒子的能帶間缺少連續區域，因而與金屬相比較，半導體的電子-空穴對的復合時間相對較長。半導體受光激發后產生的電子-空穴對，在能量的作用分離并遷移到粒子表面的不同位置，與吸附在TiO2表面的物質發生氧化和還原反應[3]。TiO2產生的光生空穴的還原電位為3.0eV（與標準氫電極相比），極易與水和表面羥基發生反應生成-OH自由基，其還原電位約為2.7eV。由于光生空穴和-OH自由基有很強的氧化能力，可奪取吸附在TiO2顆粒表面有機物的電子，從而使有機物得以氧化分解。光生電子具有強還原性，可與溶解在水中的氧發生反應，生成O2-，O2-再與H+發生一系列反應，最終生成-OH自由基。

1.4 TiO2光催化劑的優點

（1） 水中所含多種有機污染物可被完全降解成CO2，H2O等，無機污染物被氧化或還原為無害物；

（2） 不需要另外的電子受體；

（3） 合適的光催化劑具有廉價無毒，穩定及可重復利用等優點；

（4） 可以利用太陽能作為光源激活光催化劑；

（5） 結構簡單，操作容易控制，氧化能力強，無二次污染；

（6） 較好的光電轉化效率。

1.5 納米TiO2在其他方面的應用

（1）環境方面：無機污染物的光催化氧化還原；有機化合物的光催化降解

（2）衛生保健方面：可以與生活用水的殺菌消毒；負載TiO2光催化劑的玻璃，陶瓷等是衛生設施抗菌除臭的理想材料

（3）塑料：納米TiO2對塑料不僅起補強作用，而且可使料變得更致密，可使塑料薄膜的透明度、強度和韌性、防水性能大大提高。

參考文獻：

[1] 許澤輝，染料敏化太陽能電池光陽極材料TiO2的制備與改性[D].2009，09.

[2] 姜春華.染料敏化納米晶體TiO2太陽能電池的對電極結構[J].感光科學與光化學，2011，05：325-334.

[3] 李國，染料敏化太陽能電池對電機的發展，材料導報， 2007，21（12）.endprint