[發明專利]用于染料敏化太陽能電池的催化碳對電極

有效

• 申請號: 201580001971.0
• 申請日: 2015-01-30
• 公開（公告）號: CN105580097B
• 公開（公告）日: 2018-10-16
• 發明（設計）人: 維塔雅·阿門凱巴姆;薩穆克·披曼龐;皮肯·阿帕猜;納瑞特·費巴特
• 申請（專利權）人: 泰國研究基金會(TRF)
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/032
• 代理公司: 廣州三環專利商標代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫;熊永強

一種用于電解質的碳基催化劑層，所述電解質為以三碘化物/碘化物氧化還原電對為基礎的電解質，所述碳基催化劑層包括無定形碳、氧、硅、錫和氟。所述催化劑層可以涂布在透明導電氧化物(TCO)玻璃襯底上用作染料敏化太陽能電池(DSSC)的對電極。通過將涂布的碳催化劑層在約250?650℃(例如，300?600℃)的溫度范圍進行退火以形成一個合適的sp³軌道百分數，所述碳催化劑層可以具有低的電阻率、高的電催化活性和優異的光電轉換效率，其測得的光電轉換效率為含有以傳統鉑催化劑為基礎的對電極的DSSC的98.32％。

技術領域

本發明公開的內容涉及一種在染料敏化太陽能電池(DSSC)中用作光電轉換元件的碳催化劑層。

背景技術

染料敏化太陽能電池(DSSCs)是由B.O'里根和M.格萊才爾在1991年發明的，并被記載在“一種基于染料敏化膠體TiO₂薄膜的低成本、高效率太陽能電池”中(B.O’Regan andM.Gratzel,Nature,1991,353,737-740)。DSSCs的工作原理與傳統的p-n結太陽能電池是完全不同的，這是因為DSSC需要分子敏化劑來產生自由電子。典型的DSSC結構包括一個工作電極或光電極、一個對電極和一種電解質溶液。工作電極為涂覆有介孔TiO₂納米顆粒且固定有三聚釕絡合物染料敏化劑RuL₂(μ-(CN)Ru(CN)L′₂)₂的透明導電氧化物(TCO)玻璃襯底，其中L為2,2'- 聯吡啶-4,4'-二羧酸，L'為2,2'-聯吡啶。

電解液通常包括三碘化物/碘化物作為氧化還原電對，而對電極使用鉑作為催化劑。鉑是一種貴金屬，這意味著由于稀少它是相當昂貴的。一般來說，由于鉑具有高的電化學活性和低的電阻率，DSSCs中需要使用鉑作為催化劑。為找到一個合適的且較便宜的DSSCs中鉑催化劑替代品，人們已作出了大量的努力。

由于具有如高表面積、高導電性、高電催化活性、易于制備以及低到非常低的成本的性能，碳基材料成為鉑催化劑的合適的替代品。已經有幾種形式的碳基材料被用作DSSCs催化劑，包括碳納米管(CNTs)(W.J.Lee et al.,ACS Applied Materials andInterfaces,2009,1(6),1145-1149)、碳納米纖維(P.Joshi et al.,ACS AppliedMaterial and Interfaces,2010,2(12),3572-3577)、炭黑顆粒(N.Takurou et al.,Journal of the Electrochemical Society,2006,153(12),A2255-A2261)、石墨(G.Veerappan et al.,ACS Applied Materials and Interfaces,2011,3(3),857-862)和石墨烯(D.W.Zhang et al.,Carbon,2011,49,5382-5388)。在這一點上，看來使用碳基材料作為DSSC對電極中的催化劑可以作為鉑催化劑的可行替代品。盡管如此，使用碳基材料催化劑取代鉑催化劑的現有嘗試出現不必要的復雜。需要一種非常簡單的、可靠的、易于制造的方式來準備或提供一種有效的用于替代DSSC中的鉑催化劑的碳基材料替代品。

發明內容

本發明公開的內容方面針對了一種利用無定形碳作為催化劑的DSSC對電極，其中無定形碳已用簡單的退火工藝進行處理，從而為應用在含三碘化物和碘化物氧化還原電對的電解液的無定形碳提供了低電阻率和高電催化活性，并得到了較高的DSSC功率轉換效率，該DSSC功率轉換效率與利用鉑催化劑的DSSC相當。根據本發明公開的一個實施方式，無定形碳催化劑作為一種簡單、可靠、容易制造以及廉價的鉑替代品用作DSSC催化劑是合適的。