全 文 ：　第３９卷 第８期
　２０１６年８月
合肥工业大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＥＦＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ）
Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．８　
Ａｕｇ．２０１６　
　　
收稿日期：２０１５－０３－３０；修回日期：２０１５－０５－１８
基金项目：国家自然科学基金资助项目（１１０７５０６８；２１１０３０３９）；安徽省自然科学基金资助项目（１１０４０６０６Ｑ４５）和博士启动基金资助
项目（２０１０ＨＧＢＺ０６０４）
作者简介：毛小丽（１９８０－），女，安徽宣城人，合肥工业大学讲师．
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－５０６０．２０１６．０８．００７
藕粉在制备ＴｉＯ２及其染料敏化太阳能电池的应用
毛小丽１，２，　郭慧尔１，２，　吉凤巍２
（１．合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥　２３０００９；２．合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥　２３０００９）
摘　要：文章采用溶胶凝胶（ｓｏｌ－ｇｅｌ）法，以藕粉和聚乙二醇作为造孔物，在不同烧结温度下制备尺寸为１０ｎｍ
的多孔ＴｉＯ２ 颗粒，并且将经过５２０℃热处理后得到的锐钛矿晶型ＴｉＯ２ 颗粒应用于染料敏化太阳能电池
（ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｓ，ＤＳＳＣｓ），并研究了藕粉对ＴｉＯ２ 光阳极组装的ＤＳＳＣｓ光电性能的影响。结果表明，
当加入１ｇ藕粉，ＴｉＯ２ 的比表面积和孔隙率增大；膜厚为５μｍ的ＴｉＯ２ 光阳极ＤＳＳＣｓ的光电转换效率达到了
４．０５％。
关键词：二氧化钛；溶胶凝胶法；藕粉；晶型；染料敏化太阳能电池
中图分类号：Ｏ６４９；ＴＫ５１　　　文献标识码：Ａ　　　文章编号：１００３－５０６０（２０１６）０８－１０３７－０６
Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｔｕｓ　ｒｏｏｔ　ｓｔａｒｃｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ
ｏｆ　ＴｉＯ２ａｎｄ　ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｓ
ＭＡＯ　Ｘｉａｏｌｉ　１，２，　ＧＵＯ　Ｈｕｉｅｒ１，２，　ＪＩ　Ｆｅｎｇｗｅｉ　２
（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ
ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｔｕｓ　ｒｏｏｔ　ｓｔａｒｃｈ　ａｎｄ　ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ　ｇｌｙｃｏｌ　ａｓ　ｐｏｒｅ－ｆｏｒｍｉｎｇ　ａｇｅｎｔ，ｔｈｅ　１０ｎｍ　ｐｏｒ－
ｏｕｓ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｓｏｌ－ｇｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｅ
ａｎａｔａｓｅ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｏｆ　５２０℃ ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ　ｆｏｒ
ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｓ（ＤＳＳＣｓ）．Ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ｌｏｔｕｓ　ｒｏｏｔ　ｓｔａｒｃｈ　ｏｎ　ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ＴｉＯ２
ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ　ｆｏｒ　ＤＳＳＣｓ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｐｏｒｏｓｉｔｙ
ｏｆ　ＴｉＯ２ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｒｅａｃｈｅｄ　ｕｐ　ｔｏ　４．０５％ ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ａｄｄｉ－
ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｌｏｔｕｓ　ｒｏｏｔ　ｓｔａｒｃｈ　ｗａｓ　１ｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｏｆ　ｐｈｏｔｏａｎｏｄｅｓ　ｗａｓ　５μｍ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＴｉＯ２；ｓｏｌ－ｇｅｌ　ｍｅｔｈｏｄ；ｌｏｔｕｓ　ｒｏｏｔ　ｓｔａｒｃｈ；ｃｒｙｓｔａｌｉｎｅ；ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｓ（ＤＳＳＣｓ）
０　引　　言
ＴｉＯ２ 是一种常见宽禁带（３．２ｅＶ）的半导体
金属氧化物，其晶体结构主要有锐钛矿和金红石。
由于ＴｉＯ２ 具有很多特殊的性能，且资源丰富，因
此得到了广泛关注。不同形貌的ＴｉＯ２ 纳米材料
在光、电、化学等方面具有很多优良性能，将其用
于太阳能电池的光阳极材料的研究不断深入［１］。
１９９１年，多孔ＴｉＯ２ 纳米材料用于染料敏化太阳
能电池（ｄｙｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｚｅｄ　ｓｏｌａｒ　ｃｅｌｓ，ＤＳＳＣｓ），其光
电转换效率［２］（η）达７．１％。各种半导体金属氧
化物（如ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＷＯ３、ＳｎＯ２）作为光阳极材
料，已经得到广泛应用［３－６］。ＴｉＯ２ 由于其对染料
的强吸附能力、高的化学稳定性以及在ＤＳＳＣｓ中
表现出优越的性能［７］而被关注。ＴｉＯ２ 光阳极中
电解质的渗透和Ｉ３－的扩散性能对ＤＳＳＣｓ的光电
性能起决定作用。因此，增大光阳极比表面积和
孔隙率是提高电池η的重要途径之一
［８］。文献
［９］研究表明，薄膜的孔隙率较小时，将减慢Ｉ３－
离子和Ｉ－离子的扩散，增大Ｉ３－离子与电子复合
几率，从而降低电池的短路电流密度。
ＴｉＯ２ 的常用制备方法有溶胶凝胶（ｓｏｌ－ｇｅｌ）
法、化学气相沉积法、水热法和电化学沉积法。采
用ｓｏｌ－ｇｅｌ法制备ＴｉＯ２，具有反应温度低、设备简
单、可控性强、重复性好、纯度高、粒度细、易于大
规模生产等特点。在制备 ＴｉＯ２ 过程中，由于钛
酸丁酯的水解－缩聚反应速度极快，会立即生成沉
淀，难以生成均匀性好且较小尺寸的纳米ＴｉＯ２。
文献［１０］以ｓｏｌ－ｇｅｌ法制备了５．０～８．６ｎｍ的锐
钛矿ＴｉＯ２ 光阳极材料，膜厚为７．４μｍ，有效面积
为１．０ｃｍ２ 时制备的电池的η达到４．８％。
藕粉主要成分是淀粉（Ｃ６Ｈ１０Ｏ５），属于天然
高分子化合物，基本单元为α六环葡萄糖组成的
多聚葡萄糖。天然淀粉主要由直链淀粉和支链淀
粉２种组成。淀粉一般不溶于水，但是当淀粉的
悬浊液被加热到一定温度时，淀粉颗粒开始剧烈
膨胀，颗粒外围的支链淀粉层被胀裂，淀粉变成高
黏度糊浆。而破裂的直链淀粉形成凝胶，内部的
直链淀粉游离出来形成溶胶，成为黏稠状的悬浮
液，这种因膨胀而变成具有黏性的半透明胶状溶
液的现象称为淀粉的糊化。据研究，藕粉和水加
热至６５．８～７３．８℃发生糊化，在糊化过程中淀粉
链形成螺旋形的结构，颗粒变大［１１］，颗粒原始大
小为１４．３～６１．４８μｍ。传统的制备ＤＳＳＣｓ的光
阳极材料一般为１０～３０ｎｍ的纳米颗粒。
本文采用 ｓｏｌ－ｇｅｌ法制备 １０ｎｍ 的多孔
ＴｉＯ２，并添加藕粉作为造孔物，来增大ＴｉＯ２ 光阳
极材料中的比表面积和孔隙率，减小团聚体；以钛
酸丁酯、无水乙醇、硝酸为原料，研究了溶胶凝胶
过程中在不同烧结温度下得到的不同晶型ＴｉＯ２，
并对其物相结构、表面形貌以及电池的光电性能
进行测试。
１　实验部分
１．１　材料
钛酸丁酯（Ｃ１６Ｈ３６Ｏ４Ｔｉ）、无水乙醇、冰乙酸、
碘、聚乙二醇（ＰＥＧ）和硝酸（ＨＮＯ３，５６％）购于
国药集团化学试剂有限公司；藕粉购于杭州三家
村藕粉厂；染料 Ｎ７１９（９９．８％）购于 Ｓｏｌａｒｏｎｉｘ
ＳＡ；乙腈、碘化锂和ＢＭＩＩ（分析纯）购于ＳＩＧＭＡ－
ＡＬＤＲＩＣＨ公司。
１．２　ＴｉＯ２ 的制备
本文以钛酸正四丁酯为前驱物，无水乙醇为
溶剂，冰醋酸为抑制剂，用ｓｏｌ－ｇｅｌ法制备了分别
添加０、１、１．５、２ｇ藕粉的 ＴｉＯ２，分别标记为
ＴｉＯ２－ＬＲＳ０、ＴｉＯ２－ＬＲＳ１、ＴｉＯ２－ＬＲＳ１．５、ＴｉＯ２－
ＬＲＳ２，未添加聚乙二醇而仅添加１ｇ藕粉作为造
孔剂的ＴｉＯ２ 标记为ＴｉＯ２－ＬＲＳ１－ＰＥＧ０。
样品ＴｉＯ２－ＬＲＳ０的制备过程如下：
（１）６．８ｍＬ钛酸丁酯溶解在５ｍＬ无水乙醇
中，搅拌１０ｍｉｎ。
（２）另配置混合溶液，加入１５ｍＬ无水乙醇、
２ｍＬ聚乙二醇、１ｍＬ冰乙酸和一定量的去离子
水，搅拌１０ｍｉｎ。
（３）将混合溶液缓慢滴加到钛酸丁酯溶液
中，充分搅拌３０ｍｉｎ。
（４）滴加入一定量的硝酸，搅拌１０ｍｉｎ。
（５）置于干燥箱在５５℃下保温２４ｈ，得到
凝胶。
（６）干燥箱８０℃干燥１２ｈ后，置于马弗炉
５００℃，保持３０ｍｉｎ。
添加藕粉的 ＴｉＯ２（ＴｉＯ２－ＬＲＳ）的制备过程
中，除了上述步骤中采用聚乙二醇作为造孔剂，进
一步用藕粉为造孔剂完成步骤（４）后，加入一定量
的藕粉，搅拌１０ｍｉｎ；缓慢升温至６０℃时迅速加
入一定量的去离子水，搅拌并继续加热至９０℃，
溶液立即膨胀糊化；置于干燥箱，保持５５℃下
２４ｈ后再升温至８０℃，保持１２ｈ；置于马弗炉
５００℃，保持３０ｍｉｎ。
样品ＴｉＯ２－ＬＲＳ１－ＰＥＧ０的制备过程除不添
加聚乙二醇外，其他步骤同上述 ＴｉＯ２－ＬＲＳ的制
备过程。
１．３　光阳极材料的制备
本文 采 用 ＴｉＯ２－ＬＲＳ０、ＴｉＯ２－ＬＲＳ１、ＴｉＯ２－
ＬＲＳ１．５、ＴｉＯ２－ＬＲＳ２以及 ＴｉＯ２－ＬＲＳ－ＰＥＧ０作为
不同的光阳极材料，光阳极的具体制备过程如下：
（１）制备光阳极浆料。将０．５ｇＴｉＯ２ 粉末
（ＴｉＯ２－ＬＲＳ或 ＴｉＯ２－ＬＲＳ－ＰＥＧ０）置于玛瑙研钵
中，充分搅拌和研磨；用１０μＬ的移液枪先后将乙
酸（１００μＬ）、去离子水（５０μＬ）加入到混合物中，
并继续研磨３０ｍｉｎ；再慢慢地加入乙醇５０ｍＬ，同
时将混合物移入烧杯中，搅拌３０ｍｉｎ；磁力搅拌
（１ｍｉｎ）和超声处理（２ｍｉｎ工作＋２ｍｉｎ休息）
１８０次；先后加入松油醇（１．８ｇ）和乙基纤维素
（０．２５ｇ），充分混合均匀，并重复上述搅拌和超声
的步骤；移入圆底烧瓶，去除上述悬浮液的乙醇。
通过旋转蒸发器保持４５℃旋蒸，直至残留在悬浮
液的质量分数约为１５％的乙醇，得到黏稠的浆料。
８３０１ 　　　合肥工业大学学报（自然科学版） 第３９卷　
（２）光阳极薄膜的制备。通过丝网印刷法，
将浆料印刷到ＦＴＯ导电玻璃基底上；干燥后，置
于马弗炉５００℃烧结，保持３０ｍｉｎ。其中，膜厚
的控制可以通过在印刷过程中控制印刷的次数来
实现。
（３）通过将薄膜浸泡在 ０．５ ｍｍｏｌ／Ｌ 的
ＴｉＣｌ４ 水溶液中，在７０℃保持３０ｍｉｎ，在薄膜表
面覆盖一层 ＴｉＯ２；在马弗炉中烧结，５００℃下保
持３０ｍｉｎ。
（４）将 薄 膜 加 热 至 １２０ ℃ 后，浸 泡 在
５０ｍｍｏｌ／Ｌ的 Ｎ７１９染料中；在室温下封闭浸泡
２４ｈ；取出薄膜，用无水乙醇洗涤并在空气中干燥
待用。
１．４　铂对电极的制备
将铂浆料通过丝网印刷法在ＦＴＯ玻璃上镀
膜，放入马弗炉中，在４５０℃下煅烧４０ｍｉｎ，冷却
至室温，得到对电极。
１．５　ＤＳＳＣｓ的封装
将制备好的光阳极和对电极对叠，按照三明
治结构组装成０．５ｃｍ×０．５ｃｍ的电池。用移液
枪通过对电极上的小孔注入电解液，用热熔胶进
行密封。电解质溶液为碘化锂（０．０４５ｍｏｌ／Ｌ）、
碘（０．０３２ｍｏｌ／Ｌ）、叔丁基吡啶（０．５ｍｏｌ／Ｌ）和乙
腈／戊腈（体积比为８５∶１５）的混合溶液。
１．６　性能表征
光阳极材料的表面形貌和样品微观结构通过
ＳＵ８０２０场发射扫描电子显微镜（ｆｉｅｌｄ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ
ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＦＥＳＥＭ）和ＪＥＭ－
２１００Ｆ高分辨透射电镜（ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｉ－
ｍｉｓｓｉｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＨＲＴＥＭ）进行分
析。用太阳光模拟器 （Ｏｒｉｅｌ　Ｓｏｌ　３ＡＳｏｌａｒ　Ｓｉｍｕ－
ｌａｔｏｒ，ＵＳＡ）和Ｋｅｉｔｈｌｅｙ　２４００数字源表对电池进
行光电流－电压（Ｊ－Ｖ）特性测定，所用光源为５００
Ｗ 的氙灯（ＡＭ１．５），光功率密度为 １００ｍＷ／
ｃｍ２。电池的有效面积为０．２５ｃｍ２。采用ＱＴｅｓｔ
Ｓｔａｔｉｏｎ　１０００ＡＤＩ系统（Ｃｒｏｗｎｔｅｃｈ公司）对电池
的入射单色光子－电子转换效率（ＩＰＣＥ）进行测
试，所用光源为３００Ｗ 的氙灯。
２　结果分析
２．１　ＸＲＤ分析
为了研究添加藕粉后的ＴｉＯ２ 在各温度煅烧
下的晶型，对样品 ＴｉＯ２－ＬＲＳ１进行了在３００～
７００℃温度范围下的煅烧，并对样品进行了ＸＲＤ
分析，结果如图１所示。
图１　ＴｉＯ２－ＬＲＳ１在不同温度下的ＸＲＤ谱图
图１中，锐钛矿型峰用“Ａ”标注，其他峰为金
红石相。
由图１可知，所得产物在３００℃下煅烧无明
显晶相，仅在２０°～３０°处出现了较宽的波包，２７°
处有较弱的波峰，对应为（１０１）方向的锐钛矿相；
在煅烧温度达到４００℃以上时，在２７°处出现了较
强的衍射峰，对应（１０１）方向的锐钛矿相，同时在
３８°、５０°、５５°、６５°处出现了锐钛矿相的衍射峰；在
６００℃时出现了金红石相，主要为锐钛矿相；在
７００℃时出现明显的金红石相，锐钛矿相基本消
失，晶相含量高。随着煅烧温度的升高，首先出现
锐钛矿，并且温度越高，峰越高，晶相含量越高；半
高宽减小，晶粒增大；当温度达到５００℃时，其衍
射峰明显高于其他峰，说明锐钛矿型以（１０１）方向
择优取向，且图中无其他杂质相；６００℃时，为锐
钛矿相和金红石相混合相，金红石相的（１１０）峰较
小，说明含量较小；当温度达到６００℃以上时，锐
钛矿相逐步转化为金红石相；７００℃时，以金红石
相为主，其（１１０）方向衍射峰高而尖锐，说明以
（１１０）方向择优取向。在３００℃时煅烧样品为黑
色粉末，说明粉末中淀粉等有机物出现碳化变黑，
由图１ｂ可知，在２θ为２０°～３０°之间出现波包，在
ＸＲＤ衍射图中没有明显出现无定型碳的衍射峰，
９３０１　第８期 毛小丽，等：藕粉在制备ＴｉＯ２ 及其染料敏化太阳能电池的应用
这是由于 ＴｉＯ２ 在２θ为２０°～３０°之间的强度较
大，覆盖了无定型碳在此范围的峰，同时无定型碳
的相含量很少。随着煅烧温度的升高，有机物分
解，一部分成为气体放出，粉末颜色逐渐变白。经
过高温煅烧后由于在空气环境中煅烧，有机物已
经全部分解释放出ＣＯ２，在６００℃和７００℃时煅
烧后产物的颜色呈白色。
在５２０℃下煅烧前后的 ＴｉＯ２－ＬＲＳ１照片如
图２所示，由图２可以看出，由ｓｏｌ－ｇｅｌ法得到的
凝胶８０℃干燥后，得到黄色块状物；经过５２０℃
下煅烧后，块状物变小，颜色变为乳白色，经研磨
得到乳白色粉末。
图２　５２０℃下煅烧前后的ＴｉＯ２－ＬＲＳ１照片
２．２　ＴｉＯ２ 和ＴｉＯ２－ＬＲＳ１光阳极的形貌特征
用扫描电镜观察了 ＴｉＯ２－ＬＲＳ０和添加１ｇ
藕粉的ＴｉＯ２－ＬＲＳ１在ＦＴＯ基底上的光阳极的表
面形貌，如图３所示。
图３　ＦＴＯ基底上的ＴｉＯ２－ＬＲＳ０和ＴｉＯ２－ＬＲＳ１的ＦＥＳＥＭ图
由图３可以看出，沉积在ＦＴＯ上的ＴｉＯ２ 薄
膜，颗粒分布均匀，无明显团聚，表面比较粗糙；
ＴｉＯ２－ＬＲＳ０光阳极薄膜表面比较平整，而 ＴｉＯ２－
ＬＲＳ１光阳极薄膜表面凹凸不平。进一步提高放
大倍数可以看出颗粒都有明显团聚，团聚体大小
不同。ＴｉＯ２－ＬＲＳ０光阳极薄膜中的团聚体大小
为５０～２００ｎｍ，而 ＴｉＯ２－ＬＲＳ１光阳极薄膜中的
团聚体明显较小，大小为５０～１２０ｎｍ，团聚体之
间孔洞较多，且分布相对均匀。
通常，用ｓｏｌ－ｇｅｌ法来制备ＴｉＯ２ 时，可以通过
加鳌合剂，配制混合溶液，采用滴加的方法控制反
应速度，形成均匀稳定的溶胶，藕粉此时和ＰＥＧ
的作用都是造孔。
本实验中，当藕粉加入钛酸丁酯混合溶液形
成凝胶前，通过加热使藕粉发生糊化，体积胀大，
在有限水量的情况下，形成固态凝胶或者胶体；然
后将混合物低温加热形成 ＴｉＯ２ 溶胶，淀粉胶体
在其周围形成一道屏障，提高其分散性和表面活
性。淀粉作为添加剂加入到 ＴｉＯ２ 前驱液的作
用［１２］类似ＰＥＧ，一是可以防止或者减少ＴｉＯ２ 纳
米颗粒的团聚，淀粉糊化后胶体可吸附于 ＴｉＯ２
胶体表面，在胶粒表面形成吸附层，降低表面张
力，使悬浮物中的胶体粒子均匀分布，提高分散性
而不减少团聚；二是防止 ＴｉＯ２ 颗粒在热处理时
烧结，有利于形成多孔结构。在空气条件下加热，
ＴｉＯ２－ＬＲＳ１薄膜中的淀粉分解导致薄膜的水解
聚合定向进行，有机物的残余物位置被固定，有机
物分解释放ＣＯ２ 气体，在薄膜内留下纳米级尺寸
的孔洞。生成的气体增多，留下的气孔也越多，有
利于团聚体的减少，提高染料吸附量，因而提高光
电性能。因此，ＴｉＯ２－ＬＲＳ１光阳极薄膜中团聚体
变小，出现较多的孔洞。
ＴｉＯ２－ＬＲＳ１的 ＨＲＴＥＭ图如图４所示。
图４　ＴｉＯ２－ＬＲＳ１的 ＨＲＴＥＭ图
由图４可看出，颗粒大小均匀，尺寸为１０ｎｍ
左右，粒径较小。淀粉糊化后胶体可吸附于ＴｉＯ２
胶体表面，在胶粒表面形成的吸附层有利于小尺
寸纳米颗粒的形成。
２．３　比表面积（ＢＥＴ）分析
为研究材料的比表面积和孔性质，对样品的
比表面积进行了测试，其结果见表１所列。由表
０４０１ 　　　合肥工业大学学报（自然科学版） 第３９卷　
１可知，ＴｉＯ２－ＬＲＳ１的比表面积明显增大，孔径减
小，但平均孔体积大大增大，因此孔隙率明显增
大。结果表明，添加藕粉后，ＴｉＯ２ 中的孔径减小，
比表面积明显增大，说明孔隙率增大，这对提高电
池的光电性能有重要意义。孔隙率和比表面积是
评价吸附性能的重要参数。一般来说，孔隙率越
大，孔径越小，比表面积越大，对染料的吸附能力
越强。
表１　ＴｉＯ２－ＬＲＳ０和ＴｉＯ２－ＬＲＳ１的比表面积
材料
比表面积／
（ｍ２·ｇ－１）
平均孔径／
ｎｍ
平均孔体积／
（ｃｍ３·ｇ－１）
ＴｉＯ２－ＬＲＳ０　 ３．６　 ７．５　 ０．００７
ＴｉＯ２－ＬＲＳ１　 １６．１　 ５．９　 ０．０２４
２．４　热重和差示扫描量热分析
用热重（ＴＧ）和差示扫描量热法（ＤＳＣ）来分
析相变峰，升温速度为１０℃／ｍｉｎ。样品在测试
之前经过干燥箱８０℃处理１２ｈ。
添加了藕粉的ＴｉＯ２ 样品的ＴＧ曲线和ＤＳＣ
曲线如图５所示。
ｔ／℃
图５　ＴｉＯ２－ＬＲＳ１的热重和差示扫描量热分析
由图５可知，添加了藕粉的 ＴｉＯ２ 在２０～
１７０℃时质量损失只有１０．１％；在１７０～３２４℃
之间，添加了藕粉的 ＴｉＯ２ 的质量损失接近
４４．７％；在３２４～５０６℃ 之间，样品的质量损失接
近 １４．９％。 而 藕 粉 的 分 解 温 度 主 要 在
４０～２００℃之间；在１６０℃时出现了一个吸热峰，
是淀粉晶体的崩解温度［１１］。通过比较可知，藕粉
在ＴｉＯ２ 上的附着质量分数达到１２．４％，并且温
度达到４９０℃时样品的质量达到稳定值，藕粉已
经全部分解。由热重分析可确定热处理的温度在
１７０～４９０℃之间时可以保证有机物充分移除，同
时不转变为金红石晶型。本文选用５２０℃作为热
处理温度。
２．５　ＤＳＳＣｓ的光伏性能
不同的ＴｉＯ２ 光阳极组装的ＤＳＳＣｓ的光电流
密度－电压曲线如图６所示，其光电性能参数见表
２所列，其膜厚为５μｍ。η与填充因子ＦＦ计算公
式为：
η＝ＶｏｃＪｓｃＦＦ／Ｐｉｎ （１）
ＦＦ ＝ＶｍａｘＪｍａｘＶｏｃＪｓｃ
（２）
图６　ＴｉＯ２光阳极组装的ＤＳＳＣｓ的Ｊ－Ｖ 曲线
表２　基于ＴｉＯ２光阳极组装的电池光电性能参数
光阳极 Ｖｏｃ／Ｖ
Ｊｓｃ／
（ｍＡ·ｃｍ－２）
ＦＦ η／％
ＴｉＯ２－ＬＲＳ０　 ０．８１　 ５．７６　 ５７．２　 ２．６７
ＴｉＯ２－ＬＲＳ１　 ０．８２　 ７．６５　 ６４．４　 ４．０５
ＴｉＯ２－ＬＲＳ１．５　 ０．８２　 ６．４０　 ６５．３　 ３．５０
ＴｉＯ２－ＬＲＳ２　 ０．８２　 ５．９３　 ６６．４　 ３．２５
ＴｉＯ２－ＬＲＳ１－ＰＥＧ０　 ０．８１　 ５．８　 ５９．８　 ２．７９
通过比较可见，ＴｉＯ２－ＬＲＳ光阳极的电池性
能明显优于未添加藕粉的ＴｉＯ２－ＬＲＳ０的ＤＳＳＣｓ。
并且添加１ｇ藕粉的 ＴｉＯ２－ＬＲＳ１薄膜的电池光
电性能最优。ＴｉＯ２－ＬＲＳ１光阳极组装电池的Ｊｓｃ
最大，达到７．６５ｍＡ／ｃｍ２，而没有添加藕粉的
ＴｉＯ２ 光阳极的电池仅为５．７６ｍＡ／ｃｍ２。ＴｉＯ２－
ＬＲＳ１的Ｊｓｃ最大，说明此时光阳极薄膜染料吸附
量最大，主要取决于添加藕粉后使 ＴｉＯ２ 的比表
面积增大，这与ＢＥＴ测试结果一致。
当藕粉的质量增大时，得到的 ＴｉＯ２ 光阳极
的η反而下降。当藕粉量较少时，加热分解时气
孔会比较小，分布也比较均匀；而当淀粉达到一定
量时，有的高分子与ＴｉＯ２ 键合，有的高分子之间
形成分子簇，淀粉越多，高分子之间键合的几率越
１４０１　第８期 毛小丽，等：藕粉在制备ＴｉＯ２ 及其染料敏化太阳能电池的应用
大，热处理时就会留下大孔径。因此，ＴｉＯ２－
ＬＲＳ１．５和ＴｉＯ２－ＬＲＳ２薄膜易脱落，导致薄膜厚
度减小，影响电池光电性能的提高。比较各种电
池的ＦＦ可知，添加藕粉后 ＦＦ从５７．２增加到
６４．４，主要是由于添加藕粉后Ｊｓｃ增大，最大值为
４．０５％。
为比较聚乙二醇和藕粉２种不同的造孔剂对
电池性能的影响，制备了未添加聚乙二醇、仅添加
１ｇ藕粉的情况下通过ｓｏｌ－ｇｅｌ法得到的 ＴｉＯ２－
ＬＲＳ１－ＰＥＧ０及其电池，对电池进行了Ｊ－Ｖ 测试，
结果如图６所示，相应的光电性能参数见表２所
列。从电池性能来看，在上述各种试剂比例参数
情况下分别用聚乙二醇和藕粉２种造孔剂效果基
本相同。
３　结　　论
本文以藕粉作为新的造孔剂，采用ｓｏｌ－ｇｅｌ法
制备了粒径为１０ｎｍ的高结晶度的多孔纳米晶
型ＴｉＯ２。
通过对ＴｉＯ２－ＬＲＳ１样品进行热处理可知，加
热至５２０℃时得到高结晶度的锐钛矿晶型ＴｉＯ２；
添加藕粉后，ＴｉＯ２ 的比表面积和孔隙率增大，有
利于提高电池的光电性能。
当膜厚为５μｍ时，ＴｉＯ２－ＬＲＳ１光阳极电池
的η为４．０５ ％，明显高于 ＴｉＯ２－ＬＲＳ０的电池
（２．６７％），电池的η最大。将藕粉引入ｓｏｌ－ｇｅｌ法
来制备ＴｉＯ２，对于ＴｉＯ２ 光阳极的改性具有重要
意义，藕粉作为造孔剂对半导体纳米晶材料的改
性以及在ＤＳＳＣｓ光阳极薄膜的应用具有一定的
实用价值。
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（责任编辑　闫杏丽）
２４０１ 　　　合肥工业大学学报（自然科学版） 第３９卷