[發(fā)明專利]量子點敏化太陽能電池多孔納米晶Cu2S對電極的制備方法

在審

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• 申請日: 2014-10-29
• 公開（公告）號: CN104332315A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)明（設計）人: 田建軍;劉曉光;呂麗麗;沈婷;李波
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

技術領域

本發(fā)明涉及太陽能電池技術領域，介紹了一種用于量子點敏化太陽能電池的Cu₂S多孔納米晶對電極的制備方法。

背景技術

隨著不可再生能源的日益枯竭，能源消耗的持續(xù)增加，能源問題已經(jīng)成為全人類生存與發(fā)展的嚴重挑戰(zhàn)。尋找和有效利用新能源是人類進入21世紀必須解決的重大課題。太陽能作為一種清潔的、取之不盡的能源，是一種良好的選擇。目前廣泛應用的晶體硅太陽能電池技術已經(jīng)發(fā)展成熟，獲得了超過20％的能量轉(zhuǎn)化效率，但是其成本較高，限制了它的推廣。作為第三代太陽能電池的量子點敏化太陽能電池，由于量子點具有獨特的量子限域效應和多激子激發(fā)效應，使得量子點敏化太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率高達44％。隨著納米技術的發(fā)展和趨向成熟，量子點敏化太陽能電池的性能得到迅速提高，另外考慮到與晶體硅太陽能電池相比較為低廉的成本，使得其具有良好的發(fā)展前景。

量子點敏化太陽能電池為層狀結(jié)構(gòu)，從外層的透明導電玻璃向內(nèi)依次還有納米晶多孔半導體薄膜及其吸附于半導體薄膜上的量子點敏化劑、電解質(zhì)和對電極等幾部分。這種太陽能電池是由有機染料敏化太陽能電池衍生而來，與之不同的是量子點敏化太陽能電池采用窄禁帶寬度的量子點取代有機染料分子作為電子激發(fā)的敏化劑。與有機染料相比，量子點不僅具有多激子激發(fā)效應，而且還具有其它優(yōu)點：(1)光譜吸收范圍更廣，其帶隙可以根據(jù)其尺寸大小來調(diào)節(jié)；(2)具有比有機染料分子更大的消光系數(shù)和光化學穩(wěn)定性；(3)具有大的固有偶極矩，利于激發(fā)態(tài)電子-空穴的分離。電池工作原理：在入射光子的作用下，量子點中的電子從價帶躍遷到導帶，激發(fā)態(tài)的電子快速注入到光陽極導帶中，富集并通過外電路流向?qū)﹄姌O，量子點中留下的空穴與電解質(zhì)中的離子發(fā)生氧化還原反應，構(gòu)成整個回路。

在量子點敏化電池中，對電極起到電荷傳輸，閉合回路的作用，對太陽能電池轉(zhuǎn)換效率起到至關重要的作用。對敏化太陽能電池，采用催化活性很高的金屬鉑(Pt)電極作為對電極。但是在量子點敏化太陽能電池中，電解質(zhì)為為多硫體系，在多硫電解質(zhì)中Pt的催化性能較低，限制了電池性能的提高。1980年，Hodes等(HodesG，ManassenJ，CahenD.J.J.Am.Chem.Soc.，1980，127(3):544-549)提出CoS、NiS、Cu2S、PbS用作對電極應用于多硫電解質(zhì)體系催化中，發(fā)現(xiàn)電池開路電壓和短路電流均有明顯提高，說明它們對多硫氧化還原對有優(yōu)異的催化性能。此外，石墨烯作為近年來發(fā)展比較快速的材料體系，被研究較多。但是單一采用石墨烯無法獲得良好的催化性能，必須與催化活性很好的材料復合。2011年，Radich等(RadichJ.G,DwyerR.,KamatP.V,J.Phys.Chem.Lett.,2011，2(19):2453-2460)將Cu₂S和氧化石墨烯復合物作為對電極用于CdS/CdSe量子點敏化電池中，獲得了4.4％的轉(zhuǎn)化效率以及75％的填充因子的量子點敏化太陽能電池。同年，孟慶波課題組(中國發(fā)明專利201110052121.7)提出了一種電化學沉積的方法制備硫化物對電極。2012年，Yang等(Yueyong?Yang,Lifeng?Zhu,Huicheng?Sun,Xiaoming?Huang.ACSAppl.Mater.Interfaces2012,4,6162-6168)以類似于制作TiO₂漿料的方法制備PbS/炭黑(carbonblack,CB)漿料然后涂覆在FTO玻璃上，烘干，制成PbS/CB對電極，獲得了轉(zhuǎn)換效率為3.91％的量子點敏化太陽能電池。2013年，Kalanur等(Shankara?Sharanappa?Kalanur,Sang?Youn?Chae,Oh?Shim?Joo.Electrochimica?Acta103(2013)91–95)利用水熱法制備了薄層Cu_1.8S/CuS附著在FTO玻璃上，作為CdS敏化TiO₂納米晶太陽能電池的對電極，獲得了1.66％的轉(zhuǎn)化效率。

綜合上述方法，Cu₂S具有較好的催化活性，適合于制備量子點敏化太陽能電池的對電極，通常采用銅箔制備的Cu₂S對電極表面為致密層型，比表面積小，因此催化位點偏低，限制了電池性能的提高。Cu₂S與石墨烯、炭黑等復合對電極，會存在顆粒與顆粒之間、顆粒與導電基體之間結(jié)合不夠緊密，電荷損失較大等缺點。為解決這些問題，需要制備一種穩(wěn)定性能好、催化性能高、比表面積大的對電極材料。

發(fā)明內(nèi)容