[發明專利]染料敏化太陽能電池對電極及其制備方法

無效

• 申請號: 201110004929.8
• 申請日: 2011-01-12
• 公開（公告）號: CN102176386A
• 公開（公告）日: 2011-09-07
• 發明（設計）人: 高學平;李國然;潘桂玲;王鳳;葉世海
• 申請（專利權）人: 南開大學;臺達電子工業股份有限公司
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20;H01M14/00;H01L51/44;H01L51/48
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

本發明涉及一種低成本染料敏化太陽能電池對電極及其制備方法。

背景技術

染料敏化太陽能電池相比傳統的硅基太陽能電池具有成本低廉、工藝簡單、性能穩定的優點，是將來極具實際應用價值的太陽能電池。典型的染料敏化太陽能電池由染料敏化的半導體電極(工作電極)、I^-/I₃^-電解液與鉑電極(對電極)所組成，其中對電極的主要功能有兩個：1)從外電路回傳電子；2)電催化還原電解液中的I₃^-至I^-，完成電子循環。鉑具有非常優良的導電性和電催化活性，是性能良好的對電極材料。然而，作為稀有貴金屬，鉑的使用無疑大幅度提高了染料敏化太陽能電池的成本。因此，發展低成本對電極材料替代鉑具有非常重要的意義。近年來，研究者們已經嘗試用多種碳材料和導電聚合物制備染料敏化太陽能電池對電極。對電極相關公開的中國專利包括：CN?200610114581.7，CN200710177810.4，CN?200710010546.5，CN?200810118071.6，CN?200810227107.4，CN201010212640.0。在這些文獻中盡管制備對電極材料的物化性質和制備路線各不相同，其根本上都是以碳作為活性物質。碳材料導電性好、成本較低，但存在的問題是本征電催化活性較低，這使其進一步發展受到限制。也有專利采用了含碳的復合材料作為對電極，例如CN?200610135370.1中將石墨和氧化物或鹽類晶體顆粒混合制作對電極材料；CN200910043344.X，CN?200910072716.1，CN?200910072714.2都是用碳與導電聚合物制得復合對電極材料。另外，CN?200910068409.6公開了過渡金屬氮化物作為對電極材料具有較高的電催化活性，但就實際應用而言，純的金屬氮化物導電性較差且容易團聚，會導致性能的降低。

發明內容

本發明的目的在于提供一種染料敏化太陽能電池對電極及其制備方法，該對電極由過渡金屬填隙化合物顆粒分散在具有良好導電性的碳材料中作為活性材料，具有比用單純碳材料的對電極更為出色的光電性能，甚至超過傳統的鉑電極；該對電極制備簡易，成本低廉，性能優越，穩定性高，實用價值高。

本發明提供的染料敏化太陽能電池對電極，導電基底上含有活性材料膜，活性材料膜原料的質量組成：碳材料與過渡金屬元素單質或化合物之比為10∶1～1∶10。制備工藝：碳材料與過渡金屬元素單質或化合物制成漿料，在導電基底上成膜，干燥，經氮化或碳化處理，制得氮化物/碳或碳化物/碳的染料敏化太陽能電池對電極。

所述的過渡金屬元素為鈦、釩、錳、鐵、鈷、鎳、鈮、鉬、鎢，或其中兩種及以上的它們的混合物。

所述的碳材料為超導碳黑、乙炔黑或電阻率低于電阻率低于2.0歐姆·米的碳材料，或相應的一種以上的它們的混合物。

所述的導電基底為導電玻璃、金屬基底、或塑料基底。

本發明提供的染料敏化太陽能電池對電極的制備方法包括以下步驟：

1)將按照計量碳材料與過渡金屬元素單質或化合物為10∶1～1∶10的質量比進行混合，充分研磨，用水或易揮發的有機溶劑(如乙醇)制得混合漿料，或者將過渡金屬元素化合物配成溶液后浸漬在碳材料上制得漿料。

2)將漿料均勻刮涂、絲網印刷或旋轉涂膜在導電基底上，80～120℃干燥1～24小時。

3)將干燥后的涂有漿料的導電基底片通過氮化或碳化處理，制得氮化物/碳或碳化物/碳的對電極。

所述的氮化是在氨氣、氫氮混合氣或肼的氣氛下經200～1000℃煅燒0.5～12h，經過氣固滲氮反應，使金屬單質或化合物轉化為金屬氮化物(例如下面化學方程式所示)；所述的碳化處理是在惰性氣氛(如氬氣)、甲烷、乙烷、丙烷或丁烷氣氛下經200～1000℃煅燒0.5～12h。經過氣固滲碳反應，使金屬單質或化合物轉化為金屬氮化物。

M+NH₃→MxNy+N₂+H₂

MO+NH₃→MxNy+N₂+H₂O

(M＝Ti，V，Mn，Fe，Co，Ni，Nb，Mo，W；x＝1～3，y＝0.1～1)