CN101770870A - 一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本的对电极及用其制作染料敏化太阳能电池，属于绿色可再生能源技术领域。其特征是将碳化钼(Mo2C)、氮化钨(W2N)、氮化钼(Mo2N)、碳化钒(VC)、氮化钒(VN)、碳化铌(NbC)、氮化铌(NbN)、碳化钨(WC，W2C)、作为对电极材料，以无机晶体材料为粘结剂，分散在有机溶剂或者水溶液中，制成浆料，利用喷涂、印刷、刮涂的方法制作成对电极，与光阳极和电解液组装成染料敏化太阳能电池。其制备工艺简单，制作过程中无需高温高压，无毒环保，容易制得高效率，低成本的电极，适合于各种染料敏化太阳能电池的制作。

Description

一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极
技术领域
本发明属于绿色可再生能源技术领域，涉及一种低成本对电极的制作及其在染料敏化太阳能电池中的应用。
背景技术
1991年，瑞士联邦工学院的Graetzel教授发明了染料敏化太阳能电池(简称DSC)。由于其成本低廉，制作工艺简单，效率较高，环境友好，一经问世便引起世界范围的研究热潮。DSC主要是由三部分组成，即：光阳极，通常是吸附有染料的纳米晶二氧化钛薄膜；对电极，通常是铂电极；还有包含I3 -/I-氧化还原电对的电解质。其原理是：染料吸收一个光子，染料从基态跃迁到激发态，染料激发态不稳定，产生一个光生电子和染料正离子，光生电子会迅速注入到二氧化钛的导带并通过二氧化钛的多孔结构达到导电基底，然后流经外电路达到对电极。在对电极上，I3 -被流经外电路的电子还原为I-，在二氧化钛多孔膜中，染料正离子被I-还原，实现染料的再生，完成整个电路循环。由此可见对电极是DSC的重要组成部分，目前主要是用铂作对电极。铂电极虽然性能优越但是价格昂贵，而且铂的储量很有限，因此急需寻找铂的替代材料。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种可替代铂的电极材料，并提出一种简单的对电极的制备工艺及用这种对电极制作效率高，低成本的染料敏化太阳能电池。为达到上述目的，本发明的技术方案是将类铂化合物粉体、无机化合物粘合剂、分散剂分散在有机溶剂或水溶液中配制成浆料，并利用喷涂、刮涂、印刷等方法制作成电极，进而组装成染料敏化太阳能电池。对电极材料可以是一种类铂化合物或是一种以上类铂化合物的混合物，或者是以上所述材料与Pt、C等电极材料的混合物。
所述的类铂化合物包括碳化钼(Mo2C)、氮化钨(W2N)、氮化钼(Mo2N)、碳化钒(VC)、氮化钒(VN)、碳化铌(NbC)、氮化铌(NbN)、碳化钨(WC或W2C)，其粒径介于2nm-800μm。这种类铂材料制备的电极可以催化染料敏化太阳能电池中所涉及的电解液中的氧化还原电对，如I3 -/I-，Br3 -/Br-及其它的氧化还原电对。
上述无机化合物粘合剂可以是二氧化钛、氧化铝、二氧化锡、二氧化硅、氧化锌、氧化铜、氧化镍、硫酸镁、硫酸钙、氢氧化镁，硫酸钡、氧化铁中的一种或一种以上混合而成，其粒径介于2nm-800μm。
上述分散剂可以是聚乙二醇、曲拉通100、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种或一种以上的混合液。
对电极的制备方法除可以利用喷涂法、印刷法、刮涂法之外，也可以用电化学沉积法、电镀法、热解法、溅射法。
这一技术手法不但能够替代铂电极，大幅度降低电极的制作成本，而且还能得到很高的光电流和开路电压及光电转换效率，制作高性能的染料敏化太阳能电池。
本发明的效果益处是利用本发明提供的技术可制造高效低成本的对电极和太阳能电池。将碳化钼(Mo2C)、氮化钨(W2N)、氮化钼(Mo2N)、碳化钒(VC)、氮化钒(VN)、碳化铌(NbC)、氮化铌(NbN)、碳化钨(WC，W2C)作为对电极材料，制作成对电极，与光阳极及电解液制作太阳能电池。
本发明由于所用材料价格低廉且对电极及电池的制作工艺简单，解决了铂电极价格昂贵和资源短缺以及利用大型溅射仪等问题。
附图说明
附图1是染料敏化太阳能电池的示意图。
附图2是电极电化学性质测试的塔菲尔曲线。
附图3是电极的交流阻抗测试曲线。
附图4是用本发明的对电极与传统的铂对电极制备的染料敏化太阳能电池的性能比较。实线和虚线分别为碳化钼对电极和铂对电极制作的太阳能电池的电流-电压曲线。
图1中：1光阳极基板；2导电膜；3半导体薄膜；4染料；5电解质；
       6对电极基板；7导电膜；8催化层。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。本发明所涉及的不同材料的对电极及太阳能电池的制备方法是相同的，在此以碳化钼为例来说明。但并不因此将本发明限定在实施例范围之中。
实施例1碳化钼浆料的制备
将碳化钼细粉300mg，二氧化钛粉体(P25，Degauss)100mg，曲拉通100mg，异丙醇5mL及锆铢5g进行混合后，球磨4小时，制备成喷涂浆料，加热将有机溶剂除去，则制备成印刷和刮涂浆料。
实施例2喷涂法制备碳化钼电极
将制作的浆料用喷笔均匀的喷涂在FTO导电玻璃上，喷涂距离控制在10厘米，喷涂压力控制在1000帕斯卡。在氮气保护下，500℃将电极在管式炉中烧30分钟。
实施例3印刷法制备碳化钼电极
将制备的浆料用丝网印刷机印刷在FTO导电玻璃上，在氮气氛围下，在马弗炉中500℃将电极在管式炉中烧30分钟。
实施例4刮涂法制备碳化钼电极
用刮涂法将电极浆料涂布在FTO导电玻璃上，在氮气氛围下，在马弗炉中500℃将电极在管式炉中烧30分钟。
实施例5刮涂法制备铂电极
用喷涂法，把质量分数为0.5％的氯铂酸的异丙醇溶液均匀的涂布在FTO导电玻璃上，在空气氛围下，在马弗炉中380℃将电极在管式炉中烧30分钟。
实施例6电极电化学性质测试(塔菲尔曲线测试)
工作电极为实施例2制作的碳化钼电极，对电极为也实施例2制作的碳化钼电极，电解液为0.1M碘化锂，0.3M 1，2-二甲基-3-丙基-咪唑碘，0.05M碘，和0.5M叔丁基吡啶的乙腈溶液。扫描范围从-1.0V到+1.0V，扫描速度为0.1V/s.为了比较，我们用实施例5制作的铂电极做了相同的实验。从塔菲尔曲线(图2)可以看出与传统的铂对电极相比，本发明的碳化钼对电极有着更大的交换电流密度和极限电流密度，说明碳化钼电极能够有效的起催化作用，促进I3 -还原为I-。
实施例7电极交流阻抗的测试
工作电极为实施例2制作的碳化钼电极，对电极也用实施例2制作的碳化钼电极，电解液同实施例6。扫描频率范围从100mHz到1MHz，振幅10mV。从附图3可以看到本发明的碳化钼电极有着更小的层间电阻和传荷电阻。
应用实施例1：制备基于碳化钼对电极的染料敏化太阳能电池
(1)光阳极的制作：在FTO导电玻璃上，用刮涂法将二氧化钛浆料制备成TiO2薄膜，500℃烧结30分钟，冷却至80℃，在钌染料N719中浸泡16小时，制作成光阳极。
(2)电解液同实施例
(3)对电极为实施例2种制作的碳化钼电极
(4)将上述制作的光阳极，对电极进行组装，用沙林膜封装，然后在在中间夹层注入电解质，组装成染料敏化太阳能电池电池。
应用实施例2：制备基于铂对电极的染料敏化太阳能电池
将应用实施例1中的碳化钼对电极换成铂对电极，其余制作方法相同。
应用实施例3：太阳能电池光电转换效率的测试。
如图4所示，虚线代表以铂为对电极的染料敏化太阳能电池的I-V曲线，实线代表以碳化钼为对电极的染料敏化太阳能电池的I-V曲线。如表一所示，这两个电池的开路电压以及短路电流基本相同，两个染料敏化太阳能电池效率也相差不大。由此可以看出碳化钼是一种很有潜力的能够替代昂贵的铂电极用作染料敏化太阳能电池对电极的材料。
表一：染料敏化太阳能电池的参数
  对电极   开路电压(mV)   短路电流(mA/cm-2)   填充因子(％)   转换效率(％)
  铂(Pt)   821   12.80   64.5   6.77
  碳化钼(Mo2C)   806   12.46   55.8   5.60

Claims (5)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极，其特征在于电极材料是一种类铂材料或一种以上的类铂材料的混合物或是类铂材料与Pt、C电极材料的混合物。
2.如权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极，其特征在于所述的类铂材料为碳化钼(Mo2C)、氮化钨(W2N)、氮化钼(Mo2N)、碳化钒(VC)、氮化钒(VN)、碳化铌(NbC)、氮化铌(NbN)、碳化钨(WC，W2C)，其粒径介于2nm-800μm。
3.如权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极，其特征在于类铂材料利用以下几种方法进行制备：喷涂法、刮涂法、印刷法、化学沉积法、热解法、电镀法、溅射法。
4.如权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极，其特征在于对电极的浆料是将类铂化合物粉体与无机化合物粘合剂分散在有机溶剂或水溶液中制备。
5.如权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的低成本对电极，其特征在于用于染料敏化太阳能电池。
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