[发明专利]染料敏化太阳能电池中碳对电极的制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池中碳对电极的制备方法，属于光电子材料和器件领域。

技术背景

染料敏化太阳能电池（Dye Sensitized Solar Cell，即DSSC）2011年效率已突破12%。自1991年问世，由于其低的制作成本、单易的制作工艺、易重复等优点，一直是研究领域的热点之一。虽然效率和稳定性有待提高，这种电池仍被认为是极具商业应用前景的光伏器件之一。DSSC是三明治结构，由光阳极，对电极和填充在其间的电解质构成。光阳极一般由导电玻璃和染料敏化的纳米多孔氧化物薄膜组成，且纳米多孔氧化物薄膜一般为多孔二氧化钛；对电极由导电层上沉积催化剂构成，催化剂一般为铂，电解质一般为I^-/I₃^-电对。高成本的铂一直是制约DSSC成本的瓶颈之一，低成本催化剂材料，如碳材料，导电聚合物的研究已经开展。其中，碳材料，如碳，碳纳米管，碳纳米纤维，石墨烯的研究已取得较大进展，基于碳材料的DSSC最高效率已达到9%，充分说明碳材料作为催化剂前景广泛。

作为一维纳米材料，空心的碳纳米管和实心的碳纳米纤维（其组合以下简称为一维碳复合材料）由于结构相近，制备方法也很接近，制备时经常共同产生。制备一维碳复合材料的方法较多。基于催化物（区别于DSSC的“催化剂”）来制备时，一般需要用一套设备制备催化物（Fe，Co，Ni等过渡金属或其氧化物），然后用另一套设备在催化物上原位生长一维碳复合材料，也有研究者尝试在同一套设备内进行，使催化物生成和一维碳复合材料生成这两步紧密连续且原位进行，通常称为一步法。可一步实现的实验方法，报道的有化学气相沉积，微波法，火焰法等。

作为一种低成本制备方法，火焰法能在开放的环境中制备出较高质量的一维碳复合材料，而一步实现的火焰法，使其制备更加简单。具有代表性的制备方法是使用金属片基底，浸渍过渡金属盐的乙醇溶液，干燥后，然后将基底在酒精灯火焰中加热，形成一维碳复合材料（CN101624184A；Li Fei, Zou Xiao-ping, et al, Preparation of carbon nanotubes by ethanol catalytic combustion technique using nickel salt as catalyst precursor, Transactions Of Nonferrous Metals Society Of China 2006(16): S381-S384；Qi, X., J. Zhang, et al.，A novel process for high-efficient synthesis of one-dimensional carbon nanomaterials from flames. Journal Of Materials Science & Technology 2008, 24(4): 603-607.）。然而这种方法制备的一维碳复合材料用作DSSC对电极催化剂时，催化活性不高。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种催化活性更高的染料敏化太阳能电池中对电极的的制备方法。

具体制备方法如下：

1）基底的准备

对基底进行清洗，以除去表面的油脂和杂质；对于可以与染料敏化太阳能电池中电解质反应的基底，在清洗后还要沉积不低于50nm厚的镍或钛作为保护层； 

2）溶液的配制和涂敷

溶解过渡金属的一种或多种盐，并在溶液中添加十二烷基硫酸钠，溶液中十二烷基硫酸钠与过渡金属正离子的摩尔比为(0.004～0.008):1；将配好的溶液涂敷在基底上，然后自然风干，重复涂敷，风干后涂敷层的厚度为200nm～2μm；（涂敷层若太薄效果不明显，太厚在步骤3）中不易烧透）

3）酒精灯加热

将基底置于酒精灯火焰中，加热10秒～10分钟。

所采用的对电极基底为耐高温平面状或网状固体，至少能承受750℃。

沉积保护层的方法为电镀或磁控溅射。

涂敷过渡金属溶液的方法可以为旋涂法、提拉法、刮涂法。

3）优化层。

为进一步提高对电极的催化活性，可以引入优化层。即在1）准备好的基底上先后沉积锡层、镍层，其中锡膜厚度为20nm～230nm，镍膜厚度为10nm～840nm。锡膜若太薄，达不到效果，太厚加热后容易从基底上脱落；镍膜若太薄，作为催化物的效果不明显，太厚则失去催化活性。