作为利用太阳能的重要手段, 太阳能电池具有十分广泛的应用前景. 当前市场上的太阳能电池产品主要有晶体硅和非晶硅两种, 但两者均存在某些不尽人意之处, 前者制备工艺复杂, 成本高, 后者的寿命短, 效率低. 1991年, Grätzel等人[1]研制出以过渡金属Ru的配合物为染料的纳米晶体TiO2太阳能电池, 目前其最高光电转换效率在AM1.5条件下已达到11.04%[2], 因其价格低廉、制作简单、效率较高等优点引起了广泛关注.

       染料敏化太阳能电池是新一代低成本、高效率的太阳能电池, 一般由多孔纳米TiO2薄膜组成的光阳极、镀铂对电极、染料敏化剂和电解质溶液(一般是I3−/I−)组成, 结构如图1所示. 其工作原理主要是吸附在纳米TiO2表面上的染料光敏化剂, 在可见光的作用下, 电子通过吸收太阳光能而从基态跃迁到激发 态. 染料的激发态能级略高于TiO2导带能级, 电子会注入到能级相对较低的TiO2导带, 被导电层收集后通过外回路回到对电极, 产生光电流. 被氧化的染料分子被电解质溶液中的I−还原为基态, 电解质中产生的I3−又被电子还原为I−, 从而构成了一个电化学循环。

       影响染料敏化太阳能电池光电转化效率的主要因素包括染料对太阳光的高效吸收、光生电荷的快速分离和电子的快速传输等[8]. 现有染料敏化纳米TiO2太阳能电池在走向实用化方面仍存在着许多急需解决的技术关键, 特别是制备的电极材料和电极薄膜的可控性明显影响着电池的光电转化效率和稳定性. 寻找一种新型微结构的纳晶半导体以替代无规则的纳晶半导体是研究的一个重要方向, 其中有序的TiO2纳米管结构是最近研究的热点. 

       2001年, Grimes等人[9]首次提出了TiO2纳米管阵列薄膜的制备方法, 采用阳极氧化在钛片表面制备了一层高度有序的纳米管阵列结构. 通过控制阳极氧化电压、电解质组成、pH和氧化时间等, 能够有效地控制TiO2薄膜的微观结构参数, 如纳米管的管径、管长和管壁厚度等, 从而实现了对制膜工艺的控制.

       TiO2纳米管阵列特殊的结构使其表现出许多优异的物理化学特性. 研究表明, TiO2纳米管阵列表现 出优越的室温氢敏特性[10,11], 在室温下对于1 g/L H2, 其灵敏度高达108以上, 远远超出了现有其他材料的氢敏活性; 在光解水方面也表现出优越的光解水特 性[11,12], 光量子效率高达16.25%. 同时TiO2纳米管阵列还表现出良好的光催化和光电催化性能, 在降解某些难降解有机污染物, 如五氯苯酚、环境激素双酚A(bisphenol A)等的过程中也显示出较高的活  性[13~15]. 由于TiO2纳米管整齐垂直地排列在导电基底上, 这种结构使得光生载流子电荷的复合大大降低, 有利于光生载流子的快速迁移, 从而产生很强的光电性能. 此外, TiO2纳米管阵列薄膜与粉体纳米TiO2薄膜相比具有更大的比表面积和更强的吸附能力, 这有利于构成性能优良的TiO2染料太阳能电池的电极薄膜. 最近一些研究者[16~23]报道了采用TiO2纳米管阵列薄膜电极材料组装成的TiO2染料太阳能电池表现出较好的光电性能. 本文对国内外TiO2纳米管阵列太阳能电池电极材料的制备、现存的问题 及电池的最新研究进展进行了介绍.    

       1  TiO2纳米管阵列的制备 

       传统的TiO2纳米管的制备方法主要包括利用TiO2粉末在一定浓度的碱性条件下反应的水热合成 法[24,25]及利用多孔氧化铝[26,27]、氧化锌[28]和有机聚合物[29,30]等作为模板的模板合成法, 采用最多的是碱性条件下的水热合成法和多孔氧化铝模板法. 在利用多孔氧化铝制备TiO2纳米管的过程中, 纳米管的孔径往往较大, 且模板法制备工艺复杂, 生成纳米管的大小和形状取决于模板孔的尺寸和形状, 在模板和纳米管的分离过程的后序工艺中往往会造成纳米管的形貌被破坏, 重现性较差,产量也十分有限; 水热法制得的纳米管不仅长度有限而且排列杂乱无章, 反应过程一般需要在高温高压的条件下进行, 而且反应所需时间也相对较长[31]. 这些纳米管均不适合直接作为纳米TiO2太阳能电池电极薄膜的材料。