[發明專利]基于硫化鎳納米片的染料敏化太陽能電池對電極制備方法

有效

• 申請號: 201310451997.8
• 申請日: 2013-09-27
• 公開（公告）號: CN103474243A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發明（設計）人: 夏國棟;王素梅
• 申請（專利權）人: 夏國棟;王素梅
• 主分類號: H01G9/04
• 分類號: H01G9/04;H01G9/20
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王吉勇

技術領域

本發明涉及一種新能源材料和太陽能電池技術，尤其是一種基于硫化鎳納米片的染料敏化太陽能電池對電極制備方法。

背景技術

目前，染料敏化太陽能電池由瑞士聯邦工學院的Graetzel教授發明，其主要優點有成本低廉，制作工藝簡單，效率較高，是極具使用價值的太陽能電池，也極有希望取代晶體硅太陽能電池獲得大規模使用。

染料敏化太陽能電池主要由三部分組成，即：1.?光陽極，通常是吸附有染料的納米晶二氧化鈦薄膜；2.?對電極，通常是載鉑的導電玻璃；3.?電解質，通常包含I₃^-/I^-氧化還原電對。其光電轉換原理為：1.?納米晶二氧化鈦薄膜吸附的染料分子吸收太陽光，產生光生電子和染料正離子；2.?光生電子會快速地將電子注入到二氧化鈦的導帶中，并通過二氧化鈦的多孔結構達到導電基底，然后流經外電路到達對電極；3.?在對電極上，I₃^-被流經外電路的電子還原為I^-，在二氧化鈦多孔膜中，染料正離子被I^-還原，實現染料的再生，完成整個電路循環。由此可見，對電極在染料敏化太陽能電池中起到了極其重要的作用：1.?收集和輸運電子；2.?吸附并催化I₃^-還原。

目前廣泛使用的對電極是載鉑催化劑的導電玻璃。但是作為基底材料的導電玻璃和作為催化劑的?Pt價格十分昂貴，是限制染料敏化太陽能電池大規模商業化的瓶頸。因此，低成本的對電極材料成為近年來科學界和工業界的一個重要研究熱點。近年來，各種替代鉑的材料，如碳材料、導電聚合物、硫化物、氮化物、氧化物及其它們的復合材料。相關內容的中國專利例如CN?200610114581.7，CN?201110004929.8，CN?201010131086.3，CN?201110449252.9，CN?200410037799.8，CN?201210456140.0等等，盡管這些對電極材料及制備技術各不相同，但它們絕大多數都依賴于導電玻璃。而導電玻璃是染料敏化太陽能電池中最貴的部分，所占成本的份額約為60%。因此，取代導電玻璃也成了發展低成本對電極的迫切需求。例如文獻Chemical?Communication,?2010,?46,?4505-4507，Chemical?Communication,?2012,?48,?9714-9716，Journal?of?Materials?Chemistry,?2012,?22,?4009-4014,?Journal?of?Materials?Chemistry?A,?2013,1,?194-198報道了不同的低成本對電極，可以同時取代鉑和導電玻璃。但這些方法工藝操作相對復雜，在一定程度上限制了其大規模化生產。發展原材料便宜、工藝簡單快速的低成本對電極，對規模化太陽能電池的生產和使用都將起到極大的促進作用。

硫化鎳是一種重要的多功能材料，廣泛應用于電子、能源、催化等領域。盡管多種納米結構已制備，但非層狀硫化鎳納米片的合成仍然是巨大挑戰。目前合成的納米片多以層狀晶體結構為主，例如BN，MoS₂，Co(OH)₂等。而對于非層狀材料，通常缺乏本征的驅動力形成二維結構。例如中國專利申請201110122544.1公開了一種固液相反應合成硫化鎳納米棒的方法，形成納米棒的主要原因是六方晶體結構。由于硫化鎳是非層狀結構，通常缺乏形成納米片的驅動力，所以一般很難制備硫化鎳納米片。

據檢索文獻所知，僅有下面兩個方法間接制得硫化鎳納米片。方法1，Qin?Pan等（Qin?Pan,?etc?ac.?Rsc.?Adv.,?2013,?3,?3899-3906）以石墨烯為模板，采用水熱法制備了石墨烯和硫化鎳納米片復合材料。但如果沒有石墨烯，得到的是硫化鎳納米棒。方法2，Ting?Zhu等（Ting?Zhu,?etc?ac.?Adv.?Energy?Mater.?2012,?2,?1497-1502）以多步轉換的高溫熱解方法，制備了Ni₃S₂納米片和碳納米管復合材料。上述制備方法工藝步驟復雜，難以大規模化生產。目前，直接合成二維硫化鎳納米結構還未見相關報道。

發明內容

本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種基于硫化鎳納米片的染料敏化太陽能電池對電極制備方法，該方法的工藝過程簡單，制備參數易控，重復性好，可以大規模工業化生產。