[發明專利]一種用于量子點敏化太陽能電池的CuS對電極及其制備方法

在審

• 申請號: 201611018738.6
• 申請日: 2016-11-21
• 公開（公告）號: CN106803460A
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 宋孝輝;劉幸娜;王立;董曉;王永永
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20;H01G9/042;H01G9/048
• 代理公司: 新鄉市平原專利有限責任公司41107
• 代理人: 林海

技術領域

本發明屬于太陽能電池技術領域，也屬于納米材料領域，特別涉及一種用于量子點敏化太陽能電池的CuS對電極及其制備方法。

背景技術

由于煤、石油等化石能源的過度使用，由此引發的能源危機和環境污染成為目前人類社會亟待解決的兩大難題。太陽能作為一種取之不盡，清潔無污染的綠色能源，是解決上述兩個問題的重要對策。太陽能電池是一種將太陽能轉換成電能的光電轉換器件，具有十分廣闊的應用前景。在各類新型太陽能電池中，量子點敏化太陽能電池因其制備工藝簡單、成本低、理論轉換效率高等優勢吸引了眾多研究者的廣泛關注。

量子點敏化電池包括光陽極、電解液和對電極三部分，在太陽光的激發下，量子點中的電子快速注入相鄰的TiO₂中，經過 TiO₂薄膜傳到FTO基底，然后通過外電路流向對電極，而量子點中的空穴通過反應傳輸到多硫電解液中。外電路中的電子被對電極收集以后在對電極/電解液界面通過反應將電子傳輸到多硫電解液，使電解液中的氧化還原對再生。因此，對電極的作用是收集外電路的電子，并催化還原電解液中的氧化態物質。

為了提高量子點的穩定性，目前國際上通常采用多硫電解液(S^2–/S_n^2–)代替I^–/I^3–電解液作為量子點敏化電池中的空穴傳導層，但是傳統的Pt和Au等貴金屬對電極對多硫電解液的催化活性很低，造成對電極/電解液界面的電荷轉移電阻很大，這是導致量子點敏化電池的填充因子和光電轉換效率偏低的一個重要原因，此外，Pt昂貴的價格增加了電池的生產成本。因此，開發新型高效和廉價的非Pt對電極一直是量子點敏化電池的研究熱點。研究人員發現，過渡金屬硫屬化合物，如PbS、NiS、CoS、CuS、Cu₂S、CuSe、CuInS₂、Cu₂ZnSnS₄等作為對電極時對多硫電解液具有良好的催化活性，尤其以CuS和Cu₂S對電極的催化性能最為優異，研究和使用的也最多。目前，CuS和Cu₂S對電極的制備方法主要有金屬箔片腐蝕法（J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, 2453）、絲網印刷法（Nano Energy, 2016, 23, 60）、逐層離子吸附與反應法（J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 3739）、化學浴沉積法（Dalton Trans., 2015, 44,19330）以及溶劑/水熱法（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 9595），在上述方法中，金屬箔片腐蝕法由于電解液會持續腐蝕箔片，制備的對電極存在穩定性差、不易封裝的問題；絲網印刷法需要通過溶劑熱法制備出金屬硫化物納米顆粒，形成漿料后涂覆到導電基底上，再高溫燒結獲得對電極，制備工藝十分復雜；逐層離子吸附與反應法無法在光滑的FTO表面制備對電極；化學浴沉積法耗時較長，制備的對電極結晶性差。相比以上各種方法，水熱法具有操作簡便、制備的對電極結晶性和均勻性好、成本低、環境友好等優勢，是一種具有很大發展潛力的對電極制備方法，但是水熱法通常耗時較長（一般要十幾個小時以上）。因此，在該技術領域，提供一種更加快速有效、工藝簡單的對電極制備方法，并穩定高效地應用于量子點敏化太陽能電池具有重要的意義。

發明內容

針對以上存在的問題，本發明提供了一種工藝簡單、反應時間短、催化活性高、穩定性好的用于量子點敏化太陽能電池的CuS對電極及其制備方法。該對電極的特點在于采用微波輔助水熱法在FTO基底上生長一層高效的CuS催化活性物質，與傳統Pt對電極相比，大幅提高了量子點敏化電池的光電轉換效率。同時制備過程簡單快速，成本低廉，制備得到的CuS結晶性好，且與FTO基底的結合性好，易于封裝。

本發明提供的CuS對電極，其結構是在FTO導電玻璃上生長一層CuS納米片組成的多級結構催化層，CuS通過微波輔助水熱法沉積到FTO上，CuS納米片的直徑可為150~800 nm，厚度可為20~50 nm，CuS多級結構催化層的厚度可為150~900 nm。

所述量子點敏化太陽能電池的CuS對電極的制備方法，通過下列步驟實現：

a）將FTO導電玻璃依次用洗滌劑、去離子水、無水乙醇和丙酮分別超聲清洗15分鐘，然后烘干備用。

b）將可溶性銅鹽、EDTA-2Na和硫代乙酰胺分別溶于去離子水中，充分攪拌均勻形成前驅溶液。