[發明專利]用于量子點敏化太陽電池復合材料柔性對電極的制備方法

有效

• 申請號: 201711128293.1
• 申請日: 2017-11-15
• 公開（公告）號: CN107946078B
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 杜中林;唐建國;黃林軍;王彥欣;朱志軍;王世超
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 李宏偉

本發明公開了用于量子點敏化太陽電池復合材料柔性對電極的制備方法，將納米金屬顆粒分散于氧化石墨烯水溶液中，并攪拌混合均勻；將負載納米金屬顆粒的氧化石墨烯水溶液還原為均勻負載納米金屬顆粒的石墨烯復合水凝膠；將所得的復合水凝膠浸置于含聚硫電解質的甲醇溶液中，形成負載均勻的金屬硫化物復合石墨烯水凝膠；采用壓片機壓片方法將金屬硫化物復合石墨烯水凝膠按壓到柔性鈦網基底上，將壓片完成后的復合材料柔性對電極烘干后待用。本發明的有益效果是能有效提高量子點敏化太陽電池光電轉換性能及穩定性。

技術領域

本發明屬于新型太陽電池和能源技術領域，涉及用于量子點敏化太陽電池復合材料柔性對電極的制備方法。

背景技術

隨著經濟社會快速發展和人口數量急劇增加，人們對化石能源的消耗與日俱增。然而，化石能源的過度消耗帶來諸如霧霾、酸雨及溫室效應等一系列環境問題。因此，人們亟需擺脫對常規化石能源的過度依賴，改變現有能源結構，致力于開發可再生清潔能源，其中太陽能被認為是目前最具發展潛力的清潔能源。太陽能電池能將太陽能直接轉化為電能，且器件安置不受地域限制，具有清潔、能量來源豐富和使用壽命長等優勢。因此人們期待通過設計開發各類新型低成本兼具高效率太陽能電池，是目前解決化石能源枯竭、氣候變暖等影響經濟社會可持續發展問題的有效途徑。量子點敏化太陽電池由于制作工藝簡單，成本低廉尤其是內部多激子效應而具備高轉化效率的潛力，受到人們的廣泛關注。量子點敏化太陽電池主要包括量子點敏化劑、光陽極、電解液及對電極四個部分組成。作為量子點敏化太陽電池重要組成部件，對電極主要起到兩個方面作用，其一是接收外電路電子并高效傳遞，其二是在對電極和電解液界面間催化還原電解液。因此，量子點敏化太陽電池理想對電極需要具備優良的導電性、高的催化活性以及高的比表面積。此外，需要具有良好的穩定性、耐腐蝕性及成本低廉等特質。量子點敏化太陽電池的對電極材料包括貴金屬材料、金屬化合物材料、碳基材料及導電聚合物材料等四種類型。然而，這些單一對電極材料各具特征，且目前還不能很好的兼具高導電性、高催化活性及高化學穩定性等各方面優勢，如普遍使用的Cu₂S/brass對電極，雖具有良好的導電性和催化性能，但同時也會受到電解液的持續腐蝕，造成電池的穩定性變差。金屬硫化物材料添加粘合劑并通過絲網印刷或刮刀法涂抹于FTO或ITO導電基底上，由于催化材料與基底間的附著力和接觸不牢固，且粘合劑影響電極導電性能，造成器件性能及穩定性較差。因此，我們亟需開發復合材料對電極。各種類型復合材料基對電極主要包括硫化物/金屬、復合基硫化物、硫化物/碳基衍生物及金屬/碳基等各種復合材料。目前，研究人員開發出各種類型復合材料對電極，主要有包括CuS/Pt、Cu₂S/RGO、CuS/CoS、NiS/PbS、PbS/carbon black、CuInS₂/Carbon、carbon dot/Au及PVP-CuS等類型對電極。Lee等通過在碳納米管-石墨烯雜化結構上負載氮化鈦納米顆粒制備出非貴金屬基對電極，獲得的復合結構對電極展示出較高的表面粗糙度、優良的金屬接觸界面和高的氮化鈦顆粒分散性。最終組裝成量子點敏化太陽電池的光電轉換效率達4.13％，明顯高于以金對電極組裝成電池效率(3.35％)(Lee J.S.et al.ChemSusChem,2013,6,261-267)。通過電化學阻抗測試表明此對電極優良的催化性能主要得益于碳納米管/石墨烯雜化結構與氮化鈦納米顆粒的協同效應。一方面，氮化鈦納米顆粒提供較多的催化活性位點滿足聚硫電解液還原，同時碳納米管/石墨烯復合雜化結構所產生較大比表面積的氮化鈦顆粒負載空間能夠提高電子傳輸能力。由于石墨烯自身的結構特點使得它具有較大的比表面積和優異的導電性，尤其是與催化活性較高的金屬硫化物復合，由于自身較大的比表面積不僅可以負載更多的催化劑，具有更多的催化活性位點。同時，由于自身是由π共軛結構組合而成，電子遷移率較高，具有優良的導電性能。Kamat等設計制備氧化石墨烯-Cu₂S復合結構對電極，其中氧化石墨烯片狀結構能夠加快電荷傳輸，并且能夠提高Cu₂S材料的催化性能，最終組裝成量子點敏化太陽電池的光電性能較Pt對電極有明顯提高，填充因子FF較單一Cu₂S材料提高75％左右。通過優化氧化石墨烯與Cu₂S比例，最終基于CdSe敏化劑的量子點敏化太陽電池的光電轉換效率提高到4.4％(Kamat P.V.et al.The Journal ofPhysical Chemistry Letters,2011,2,2453-2460)。