[发明专利]染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种低成本染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池相比传统的硅基太阳能电池具有成本低廉、工艺简单、性能稳定的优点，是将来极具实际应用价值的太阳能电池。典型的染料敏化太阳能电池由染料敏化的半导体电极(工作电极)、I^-/I₃^-电解液与铂电极(对电极)所组成，其中对电极的主要功能有两个：1)从外电路回传电子；2)电催化还原电解液中的I₃^-至I^-，完成电子循环。铂具有非常优良的导电性和电催化活性，是性能良好的对电极材料。然而，作为稀有贵金属，铂的使用无疑大幅度提高了染料敏化太阳能电池的成本。因此，发展低成本对电极材料替代铂具有非常重要的意义。近年来，研究者们已经尝试用多种碳材料和导电聚合物制备染料敏化太阳能电池对电极。对电极相关公开的中国专利包括：CN 200610114581.7，CN200710177810.4，CN 200710010546.5，CN 200810118071.6，CN 200810227107.4，CN201010212640.0。在这些文献中尽管制备对电极材料的物化性质和制备路线各不相同，其根本上都是以碳作为活性物质。碳材料导电性好、成本较低，但存在的问题是本征电催化活性较低，这使其进一步发展受到限制。也有专利采用了含碳的复合材料作为对电极，例如CN 200610135370.1中将石墨和氧化物或盐类晶体颗粒混合制作对电极材料；CN200910043344.X，CN 200910072716.1，CN 200910072714.2都是用碳与导电聚合物制得复合对电极材料。另外，CN 200910068409.6公开了过渡金属氮化物作为对电极材料具有较高的电催化活性，但就实际应用而言，纯的金属氮化物导电性较差且容易团聚，会导致性能的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法，该对电极由过渡金属填隙化合物颗粒分散在具有良好导电性的碳材料中作为活性材料，具有比用单纯碳材料的对电极更为出色的光电性能，甚至超过传统的铂电极；该对电极制备简易，成本低廉，性能优越，稳定性高，实用价值高。

本发明提供的染料敏化太阳能电池对电极，导电基底上含有活性材料膜，活性材料膜原料的质量组成：碳材料与过渡金属元素单质或化合物之比为10∶1～1∶10。制备工艺：碳材料与过渡金属元素单质或化合物制成浆料，在导电基底上成膜，干燥，经氮化或碳化处理，制得氮化物/碳或碳化物/碳的染料敏化太阳能电池对电极。

所述的过渡金属元素为钛、钒、锰、铁、钴、镍、铌、钼、钨，或其中两种及以上的它们的混合物。

所述的碳材料为超导碳黑、乙炔黑或电阻率低于电阻率低于2.0欧姆·米的碳材料，或相应的一种以上的它们的混合物。

所述的导电基底为导电玻璃、金属基底、或塑料基底。

本发明提供的染料敏化太阳能电池对电极的制备方法包括以下步骤：

1)将按照计量碳材料与过渡金属元素单质或化合物为10∶1～1∶10的质量比进行混合，充分研磨，用水或易挥发的有机溶剂(如乙醇)制得混合浆料，或者将过渡金属元素化合物配成溶液后浸渍在碳材料上制得浆料。

2)将浆料均匀刮涂、丝网印刷或旋转涂膜在导电基底上，80～120℃干燥1～24小时。

3)将干燥后的涂有浆料的导电基底片通过氮化或碳化处理，制得氮化物/碳或碳化物/碳的对电极。

所述的氮化是在氨气、氢氮混合气或肼的气氛下经200～1000℃煅烧0.5～12h，经过气固渗氮反应，使金属单质或化合物转化为金属氮化物(例如下面化学方程式所示)；所述的碳化处理是在惰性气氛(如氩气)、甲烷、乙烷、丙烷或丁烷气氛下经200～1000℃煅烧0.5～12h。经过气固渗碳反应，使金属单质或化合物转化为金属氮化物。

M+NH₃→MxNy+N₂+H₂

MO+NH₃→MxNy+N₂+H₂O

(M＝Ti，V，Mn，Fe，Co，Ni，Nb，Mo，W；x＝1～3，y＝0.1～1)