CN104979098A - 染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用 - Google Patents

染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用，所述染料敏化太阳能电池的对电极为在掺杂氟的SnO2透明FTO导电玻璃上直接合成出三元过渡金属硫化物CuCo2S4，采用普通水热法和微波水热离子置换反应制备，与二元过渡金属硫化物相比，三元过渡金属硫化物制备方法更加简单，制备手段更加多元化，在染料敏化太阳能电池中有很大的潜在应用价值，与传统的对电极材料贵金属Pt相比，生产成本大幅降低，利于进一步的工业化应用。

Description

染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种太阳能电池的对电极，尤其涉及一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用。
背景技术
作为第三代太阳能电池，由于制作工艺简单、环境友好、价格低廉等特点，染料敏化太阳能电池逐步受到科研者和技术人员的关注，具有很好的应用前景。染料敏化太阳能电池主要由吸附了染料的光阳极、电解液和对电极组成。染料主要的功能是吸收光，产生光生载流子，其中金属络合物、卟啉类化合物、有机染料分子等被广泛应用在染料敏化太阳能电池上。光阳极的主要功能是吸附染料和传输电子，当染料吸收光产生电子空穴对后，电子会从染料转移到光阳极，截止目前TiO2仍然是染料敏化太阳能电池中最广泛应用的光阳极。
在染料敏化太阳能电池***中，对电极起着收集和传输外电路电子、还原电解液中I3-离子，加快电子传输速率的作用。对电极材料通常具有高的催化活性和优异的导电性能。目前，染料敏化太阳能电池一般使用沉积在FTO上的Pt作为对电极。虽然Pt具有很高的催化和导电性能，但是Pt是一种价格昂贵的稀有金属，不利于染料敏化太阳能电池的在工业生产和日常生活中的大规模的应用。为了克服这个困难，越来越多的研究人员开始研究三元过渡金属硫化物替代Pt作为对电极的材料。三元过渡金属硫化物兼具制备工艺简单、原材料价格低廉、高催化活性和高导电性，极具工业应用前景。
三元过渡金属硫化物的制备方法主要由水热法和溶剂热法。南京大学邹志刚等人公开了一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，并具体公开了以不同浓度CuSO4﹒5H2O(0.0025M、0.005M、0.01M任意一种)、InCl3﹒H2O(0.0025M、0.005M、0.01M任意一种)、CH3CSNH2(0.0075M、0.015M、0.03M任意一种)为前驱体，无水乙醇为反应溶剂，反应温度为150℃制备出来的三元过渡金属硫化物CuInS2为染料敏化太阳能电池对电极。但是三元过渡金属硫化物CuCo2S4到目前为止还没有在公开报道中被用作染料敏化太阳能电池对电极。
有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用，使其更具有产业上的利用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够降低成本，制备简单，具有高催化活性和高导电性的染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法和应用。
本发明提出的一种染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于：包括导电基底和三元过渡金属硫化物，所述三元过渡金属硫化物附着在所述导电基底上，该对电极为在所述导电基底上直接合成出的三元过渡金属硫化物CuCo2S4。
作为本发明的进一步改进，所述导电基底为掺杂氟的SnO2透明FTO导电玻璃，所述导电基底的厚度为1mm-3mm。
作为本发明的进一步改进，所述三元过渡金属硫化物CuCo2S4是由三元过渡金属氧化物CuCo2O4经离子置换反应而成。
本发明提出的一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：该方法包括将无机酸盐、尿素和溶剂混合均匀，得到混合溶液；在所述混合溶液为前驱体溶液、FTO为导电基底的水热反应中进行反应，反应结束后450℃退火2小时，反应的方法和条件使得CuCo2O4直接在FTO导电基底上生成。
该方法包括以下步骤：
(1)将FTO分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗20分钟，然后在60℃下烘干备用；
(2)分别称量1mmol三水合硝酸铜(Cu(NO3)2﹒3H2O)，2mmol六水合硝酸钴(Co(NO3)2﹒3H2O)，15mmol尿素(Urea)，50ml去离子水依次加入到100ml烧杯中，持续搅拌半个小时，得澄清前驱体溶液；
(3)取10mL的搅拌均匀的前驱体溶液倒进25ml体积的聚四氟乙烯小瓶中，将清洗干净的FTO基底导电面朝下放入进聚四氟乙烯小瓶中，放到高温反应釜中，在烘箱中120℃水热反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下烘干半个小时，然后450℃下退火2小时，得到CuCo2O4样品；
(4)称量0.72g Na2S﹒9H2O，加入60mL去离子水搅拌，将CuCo2O4样品放进该溶液中，160℃反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下真空干燥半个小时，得到CuCo2S4样品。
作为本发明方法的进一步改进，所述CuCo2S4样品在氩气保护下500℃退火处理2小时。
本发明所述的染料敏化太阳能电池对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：本发明染料敏化太阳能电池的对电极是一种新的三元过渡金属硫化物CuCo2S4，其是第一次被用在染料敏化太阳能电池对电极方面，进一步拓展了三元过渡金属硫化物在染料敏化太阳能电池对电极的应用。此外，与昂贵的Pt对电极相比，本发明提供的对电极的原材料价格低廉，制造成本要低很多，因此，具有更好的工业应用前景。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例一中制备得到的对电极扫描电镜图；
图2为本发明染料敏化太阳能电池对电极的电流密度与电压特性曲线测试图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例一：
将FTO分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗20分钟，然后在60℃下烘干；分别称量1mmol三水合硝酸铜(Cu(NO3)2﹒3H2O)，2mmol六水合硝酸钴(Co(NO3)2﹒3H2O)，15mmol尿素(Urea)，50ml去离子水依次加入到100ml烧杯中，持续搅拌半个小时，得澄清前驱体溶液；取10mL的搅拌均匀的前驱体溶液倒进25ml体积的聚四氟乙烯小瓶中，将清洗干净的FTO基底导电面朝下放入进聚四氟乙烯小瓶中，放到高温反应釜中，在烘箱中120℃水热反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下烘干半个小时，然后450℃下退火2小时，得到CuCo2O4样品；称量0.72g Na2S﹒9H2O，加入60mL去离子水搅拌，将CuCo2O4样品放进该溶液中，160℃反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下真空干燥半个小时，得到CuCo2S4样品。
采用扫描电子显微镜对对电极CuCo2S4的形貌进行观察，结果如图1所示。从图中可以看出，该对电极的形貌为纳米片，片表面很粗糙，是一种多孔结构。这种纳米片多孔结构有利于电解液的渗入。
实施例二：
将FTO分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗20分钟，然后在60℃下烘干；分别称量1mmol三水合硝酸铜(Cu(NO3)2﹒3H2O)，2mmol六水合硝酸钴(Co(NO3)2﹒3H2O)，15mmol尿素(Urea)，50ml去离子水依次加入到100ml烧杯中，持续搅拌半个小时，得澄清前驱体溶液；取10mL的搅拌均匀的前驱体溶液倒进25ml体积的聚四氟乙烯小瓶中，将清洗干净的FTO基底导电面朝下放入进聚四氟乙烯小瓶中，放到高温反应釜中，在烘箱中120℃水热反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下烘干半个小时，然后450℃下退火2小时，得到CuCo2O4样品；称量0.72g Na2S﹒9H2O，加入60mL去离子水搅拌，将CuCo2O4样品放进该溶液中，160℃反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下真空干燥半个小时，然后在氩气保护下500℃退火两个小时，得到退火后的CuCo2S4样品。
测试例：
该测试例用于说明本发明的染料敏化太阳能电池性能的测试。
将吸附有染料的TiO2多孔薄膜置于干净的台面上，并将打好尺寸为0.6cm×0.6cm的热封膜(厚度为60μm)叠放在上述TiO2多孔薄膜电极上，将打孔的对电极(对电极由实施例1制备)盖在热封膜上，进行封装。从对电极小孔处注入电解液，电解液的成分为0.1M LiI，0.03M I2，0.5M四丁基碘化铵和0.5M 4-叔丁基吡啶，溶剂为乙腈。在吸附有染料的TiO2多孔薄膜电极外表面上放上带有孔径为0.3cm×0.3cm的钢制模具作为掩膜版，以保证工作电极的光照面积相同，得到染料敏化太阳能电池。
该测试例电流密度与电压特性曲线测试图(J-V)曲线如图2所示，在90mW/cm2的模拟太阳光照射下，开路光电压为0.54V，短路电流密度为7.87mA/cm2，填充因子为37.2，光电转换效率为1.59％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于：包括导电基底和三元过渡金属硫化物，所述三元过渡金属硫化物附着在所述导电基底上，该对电极为在所述导电基底上直接合成出的三元过渡金属硫化物CuCo2S4。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于：所述导电基底为掺杂氟的SnO2透明FTO导电玻璃，所述导电基底的厚度为1mm-3mm。
3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池对电极，其特征在于：所述三元过渡金属硫化物CuCo2S4是由三元过渡金属氧化物CuCo2O4经离子置换反应而成。
4.一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：该方法包括将无机酸盐、尿素和溶剂混合均匀，得到混合溶液；在所述混合溶液为前驱体溶液、FTO为导电基底的水热反应中进行反应，反应结束后450℃退火2小时，反应的方法和条件使得CuCo2O4直接在FTO导电基底上生成。
5.根据权利要求4所述的染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将FTO分别使用丙酮、酒精、去离子水超声清洗20分钟，然后在60℃下烘干备用；
(2)分别称量1mmol三水合硝酸铜(Cu(NO3)2﹒3H2O)，2mmol六水合硝酸钴(Co(NO3)2﹒3H2O)，15mmol尿素(Urea)，50ml去离子水依次加入到100ml烧杯中，持续搅拌半个小时，得澄清前驱体溶液；
(3)取10mL的搅拌均匀的前驱体溶液倒进25ml体积的聚四氟乙烯小瓶中，将清洗干净的FTO基底导电面朝下放入进聚四氟乙烯小瓶中，放到高温反应釜中，在烘箱中120℃水热反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下烘干半个小时，然后450℃下退火2小时，得到CuCo2O4样品；
(4)称量0.72g Na2S﹒9H2O，加入60mL去离子水搅拌，将CuCo2O4样品放进该溶液中，160℃反应12小时，反应结束后取出样品，用酒精和去离子水清洗3分钟，80℃下真空干燥半个小时，得到CuCo2S4样品。
6.根据权利要求5所述的染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：所述CuCo2S4样品在氩气保护下500℃退火处理2小时。
7.权利要求1-6中任意一项所述的染料敏化太阳能电池对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
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