[发明专利]一种高催化活性太阳能电池对电极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池电极材料领域，尤其涉及一种高催化活性太阳能电池对电极材料及其制备方法。

背景技术

进入21世纪，能源短缺以及化石燃料使用带来的环境污染是人类社会面临的最大挑战。在当代，能源一直是推动世界经济发展，提高大众生活水平的关键。相对传统的化石能源，新兴发展的可再生能源，来源广、因地而异、环境友好、可持续长久使用。因此加快对可再生能源的研究与利用已经成为世界各国探求解决能源危机以及环境保护的重要措施。太阳能作为资源最丰富的可再生能源，其独特的优势和巨大的开发利用潜能使得太阳能电池的开发和利用成为近年来十分重要的研究课题。

染料敏化太阳能电池（dye-sensitized solar cell，DSSC），一种制作工艺简易，成本低廉的新型太阳能电池，受到世界各国的广泛关注和研究。DSSC主要由三部分组成：工作电极(敏化的光阳极)、对电极(光阴极)和电解质。对电极的作用是负责收集电池外回路的电子，并将电子传递给电解质中的电子受体使其还原再生，其特性和表面发生的氧化-还原反应速率影响电池的PCE。因此作为DSSC的对电极，必须对电解液中氧化-还原电对具有高的催化活性，同时还要具有高的导电性及高的稳定性，以确保电子被快速地收集并传递。铂(Pt)对电极由于电阻小和较高的催化性能，目前在DSSC中的应用最为广泛。然而，Pt对电极存在以下问题：①价格昂贵；②Pt金属对电极材料容易被常规电解液（I^3-/I^-）腐蚀而严重影响DSSC的长期稳定性；③Pt金属对电极材料并不适合量子点太阳能电池；④对于其他氧化-还原电对，如T₂/T^–和Co³⁺/Co²⁺电对的电解液，Pt金属对电极并不能起到很好的催化作用；⑤Pt金属对电极材料在空气中可能被其他组分污染而丧失或降低其催化活性；⑥新型染料、新型电解液及新型光阳极的出现也需要新型对电极材料与之相匹配。因此，开发绿色环保、价格低廉、性能优异的可替代Pt对电极材料，满足不同类型DSSC器件（如刚性、柔性、液态、固态、单基板、叠层及量子点等）日益发展的需求，解决Pt对电极面临的挑战与压力，则具有重要的科学意义和广阔的应用前景。目前国内外对DSSC无Pt对电极的研究主要集中在碳材料、导电聚合物、金属化合物等方面。碳对电极具有耐腐蚀，成本低以及高催化活性等优势，但碳材料与衬底结合力差，电极不透明等也制约着其大规模应用。导电聚合物电极突出的优势在于透明且可应用于柔性衬底，但就目前而言其耐用性有待提高。目前，与Pt有相似的电子结构和催化性能，但制备方式多样，制作成本低廉，性能稳定的过渡金属化合物(TMCs)对电极发展最为迅速。在所有这些TMCs对电极中，氧化物，特别是具有较低氧/金属原子比的氧化物，表现出更为优异的催化性能。另外相比过渡金属碳化物以及氮化物，过渡金属氧化物由于制备成本低，制备条件简易而备受推崇。其中过渡金属氧化物中NiCo₂O₄由于具有制备成本低廉，导电性能优异，较高的化学稳定性，另外结构形貌的可控，以及对环境的较低污染等都使之成为理想的Pt高性能替代材料。但是就目前而言，国内、外已有一些厂商在研究、生产NiCo₂O₄材料，其生产方法均主要为水热反应法，电沉积法等。该类方法一个突出优点即是工业化简单，生产工艺成本不高，其缺点即是前驱体难以均匀反应，造成生成的产物成分、性能不均一，特别是反应组分较多时，更是如此。另外，制备的产物结构形貌单一，制备的多为一维结构，结构的局限性，无法进一步发挥其优良的导电性能，以及电催化活性。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高催化活性太阳能电池对电极材料及其制备方法，旨在解决现有产物成分、性能不均一，结构形貌单一，无法进一步发挥其优良的导电性能，以及电催化活性的问题。

本发明的技术方案如下：