[發(fā)明專利]一種染料敏化太陽能電池用對電極材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010568612.6
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111696788B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳明;李立新;劉小剛;方林霞;常雪萍;張瑞環(huán)
• 申請（專利權(quán)）人: 信陽師范學(xué)院
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20
• 代理公司: 鄭州科維專利代理有限公司 41102
• 代理人: 趙繼福

本發(fā)明公開了一種染料敏化太陽能電池用磷化鈷/氮摻雜多孔碳復(fù)合對電極材料及其制備方法,磷化鈷/氮摻雜多孔碳復(fù)合對電極材料是由磷化鈷和氮摻雜多孔碳組成，且磷化鈷是嵌入在氮摻雜多孔碳的碳墻表面，磷化鈷在復(fù)合對電極材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30~60 wt.%。通過先后合成有機(jī)?無機(jī)雜化的膦酸鈷鹽前驅(qū)體，以及有機(jī)氮源?甲醛?間苯二酚樹脂/F127共聚物作為碳源和氮源共前驅(qū)體，并通過兩者的水熱協(xié)同自組裝、高溫碳化和氮化等方式獲得。本發(fā)明提供的新型結(jié)構(gòu)磷化鈷/氮摻雜多孔碳復(fù)合對電極材料在染料敏化太陽能電池應(yīng)用中表現(xiàn)出較小的電荷轉(zhuǎn)移阻抗、較高的光電轉(zhuǎn)換效率及長周期使用穩(wěn)定性等性能優(yōu)勢，且制備成本低，方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池對電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種染料敏化太陽能電池用磷化鈷/氮摻雜多孔碳復(fù)合對電極材料及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，大大促進(jìn)了社會生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，尤其是電能的廣泛應(yīng)用，更是為社會的多領(lǐng)域發(fā)展提供了強(qiáng)有力的助推力。染料敏化太陽能電池具有光電轉(zhuǎn)換效率高、制作工藝簡單、價格低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，受到國內(nèi)外科研和技術(shù)人員的廣泛關(guān)注，成為新一代最具發(fā)展前景的光電轉(zhuǎn)換器件。

染料敏化太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)包括染料敏化的多孔二氧化鈦光陽極、電解液和對電極。對電極在染料敏化太陽能電池器件中發(fā)揮著重要作用，主要是收集和傳輸外電路電子以及催化還原電解液中的碘三根離子。電催化還原反應(yīng)速率與對電極催化劑密切相關(guān)，對電池效率的提高起到關(guān)鍵作用。一般，理想的對電極材料需要具備以下幾個條件: ①優(yōu)異的電子導(dǎo)電性；②快速的電解液離子擴(kuò)散能力；③突出的電催化能力；④良好的化學(xué)穩(wěn)定性。貴金屬Pt由于其突出的催化能力和電子導(dǎo)電性，是目前最常用的對電極材料。但是Pt價格過于昂貴，儲量有限，且化學(xué)穩(wěn)定性不足，限制了其在染料敏化太陽能電池中的規(guī)模化應(yīng)用。因此，發(fā)展新型、廉價、高效的非鉑對電極材料成為染料敏化太陽能電池開發(fā)的關(guān)鍵。

碳基材料，例如石墨、多孔碳、炭黑、碳納米管和石墨烯等，已經(jīng)被廣泛用作新型非鉑對電極材料，并表現(xiàn)出相對高的電子導(dǎo)電性，良好的耐腐蝕性能和相對高的催化活性。多孔碳材料，呈現(xiàn)出較高的比表面積、可調(diào)的孔徑尺寸及較大的孔體積等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。特別是介孔碳材料，其孔徑尺寸大于2 nm，遠(yuǎn)大于碘三根離子的尺寸（1 nm），能夠增強(qiáng)電解液離子在對電極材料孔道內(nèi)部的擴(kuò)散速率，同時又能夠保持高的催化活性面積。但是，對于純碳材料，電中性的碳原子對帶有負(fù)電荷的碘三根離子的吸附能力不足，從而使得其催化能力低于傳統(tǒng)Pt電極 [1-3]。現(xiàn)有提高碳材料催化活性的有效技術(shù)方案之一就是通過向碳材料中摻雜氮原子，利用氮原子（3.04）與碳原子（2.55）較大的電負(fù)性差異，打破相鄰碳原子的電中性，優(yōu)化電子結(jié)構(gòu)特性，不僅能提高其吸附能力，而且能增強(qiáng)其電子導(dǎo)電性和催化活性位點(diǎn)，從而增強(qiáng)氮摻雜多孔碳材料的催化還原活性 [3]。因此，進(jìn)行高濃度的氮原子摻雜成為進(jìn)一步提高多孔碳材料催化活性的關(guān)鍵。然而，傳統(tǒng)制備方法是在700度以上的高溫條件下，通過簡單熱解常用的有機(jī)氮源（例如雙氰胺、尿素和三聚氰胺，）來獲得氮摻雜的碳材料。由于有機(jī)氮源的熱穩(wěn)定性差，在高溫條件下很容易分解成小的氣態(tài)分子(eg.C₂N₂⁺, C₃N₂⁺, C₃N₃⁺)，揮發(fā)流失嚴(yán)重，因此該方式獲得的氮濃度通常都比較低，大約為4~7at.% [4-6]。因此發(fā)展一種有效的制備方法實(shí)現(xiàn)多孔碳材料中的高濃度氮摻雜，成為開發(fā)高性能對電極材料的關(guān)鍵。