[發明專利]一種染料敏化太陽能電池銅錳鍺硫對電極及其制備方法

有效

• 申請號: 201610015111.9
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105679544B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 黃守雙;宰建陶;錢雪峰;何青泉;馬對;李曉敏;李波;王敏;劉雪嬌;劉園園;張洋;張敏敏
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 林君如

技術領域

本發明涉及一種太陽能電池領域，尤其是涉及一種染料敏化太陽能電池銅錳鍺硫對電極及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著能源問題的日益嚴峻，作為第三代太陽能電池技術之一的染料敏化太陽能電池因具有組裝簡單、成本較低等優勢以及較高的能量轉換效率等優勢，引起了科研工作者廣泛的關注。典型的染料敏化太陽能電池具有“三明治”結構，即由光陽極，電解質和對電極組成。這類器件的工作原理與自然界的光合作用相似。在光照下，染料分子吸收太陽光從基態變為激發態，然而激發態不穩定，通過釋放出電子回到基態。釋放出的電子通過二氧化鈦的導帶并被導電基地收集，傳輸到外電路并對負載做功。在對電極/電解液界面處發生催化還原反應，將氧化態的電解質還原成中性態，而基態的電解質進一步擴散至光陽極并將氧化態的染料分子還原，從而完成一個循環。由此看出，對電極是染料敏化太陽能電池中的重要組成成分，它不僅是外電路電子流通的媒介，更重要的作用在于將氧化態的電解質還原成基態，保證染料分子的再生。理想的對電極材料應具備以下條件：(1)具有高的電子催化活性，利于催化I₃^-離子還原成I^-；(2)電子轉移的阻力小；(3)在電解質的環境下，具有良好的電化學穩定性。當前廣泛用于的對電極是表面鍍有一層鉑的導電玻璃，而由于鉑金屬的成本、豐度及長期穩定性等因素的影響，限制了大規模的工業化應用。因此，取代貴金屬鉑在染料敏化太陽能電池領域的應用成為一項重要的工作。

截止目前，研究人員制備了一系列的非鉑對電極材料，如碳材料(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3996；Energy Environ.Sci.2009,2,426)，有機聚合物(J.Mater.Chem.2012,22,21624)，氧化物(Chem.Commun.2013,49,5945；ChemSusChem2014,7,442)，氮化物(ChemSusChem 2013,6,261)及金屬硫屬化合物(J.Am.Chem.Soc.2012,134,10953；Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,6694)等。常用的制備方法包括刮涂(Chem.Eur.J.2015,doi:10.1002/chem.201406124)，原位生長(Chem.Commun.2014,50,4824；Chem.Commun.2015,51,1846)，電化學沉積(Chem.Eur.J.2014,20,474)和滴涂(Chem.Eur.J.2013,19,10107)等。

中國專利CN 104835649A公布了一種染料敏化太陽能電池硫化銀對電極的制備方法，包括：制備硫化銀納米晶；將硫化銀納米晶溶于溶劑中，經超聲分散處理得到硫化銀納米晶墨水；將硫化銀納米晶墨水涂覆于基底上，對基底進行熱處理，制得染料敏化太陽能電池硫化銀對電極。然而，這些常見二元半導體數量有限，而且性質參數都是固定的，往往不能滿足染料敏化太陽能電池理想對電極材料的要求。例如，Ag₂S、CoS、NiS等半導體的帶邊位置是確定的，因而其導電性以及材料表面的物理化學性質也隨著固定，因而難以進一步提升其對I₃^-電對的電催化活性。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種性能優異、制備簡單、適合大規模工業化生產的染料敏化太陽能電池銅錳鍺硫對電極及其制備方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種染料敏化太陽能電池銅錳鍺硫對電極，包括導電基底，導電基底表面涂覆有一層纖鋅礦結構的銅錳鍺硫納米晶。

所述的銅錳鍺硫納米晶的粒徑為10～100nm，銅錳鍺硫納米晶層的厚度為0.01～10μm。

所述的導電基底包括FTO、ITO、不銹鋼、柔性導電高分子或石墨。

所述的纖鋅礦結構的銅錳鍺硫納米晶的制備方法包括以下步驟：

(1)將銅鹽、錳鹽、鍺源、表面活性劑和溶劑混合，抽真空除水除氧，磁力攪拌，加熱到60～120℃并維持0.5～3小時使反應物充分溶解，然后將整個反應體系通入保護氣；

(2)將上述反應體系加熱到130～160℃，迅速注入硫源，之后進一步將體系加熱到200～280℃，并保持0.5～6小時；

(3)待反應結束，自然冷卻至室溫，加入破乳劑后進行固液分離操作，得到的沉淀即為銅錳鍺硫納米晶。

所述的步驟(1)中的加熱溫度為100℃；