[发明专利]一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的高效、低成本复合碳基对电极及其制备方法。

背景技术

清洁能源与绿色环保成为二十一世纪全球最重要的课题。太阳能作为一种取之不尽的可再生能源，具有其他类型能源无法比拟的优点。对于太阳能的高效、低成本开发与利用引起了全球学术界、产业界的高度重视。染料敏化太阳能电池(DSSC)作为一种新型的化学太阳能电池，主要由工作电极、电解质(I^-/I₃^-)和对电极组成。工作电极通常采用纳米多孔半导体电极，工作电极上的染料分子在可见光作用下吸收可见光被激发，电子被染料激发态注入半导体的导带，在纳米多孔半导体薄膜中输运并被导电层收集，最后经由外电路输送至对电极，产生光电流，染料激发态在工作电极上被电解质溶液中I^-还原，使得染料获得再生；同时电解质溶液中I₃^-在对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电转换的完整循环。

在DSSC中，还原反应发生在电解质与对电极之间的接触面上，对电极作为电池的正极，主要有以下三方面作用：

(1).收集和运输电子(即收集电池外回路的电子并将其传递给电解质里面的氧化还原对)；

(2).吸附并催化I₃；

(3).反射透过光(即把从工作电极透过的光反射至光阳极膜，提高太阳光的利用率)；

综上可以看出，对电极的特性和在其表面皿发生的还原反应速率极大影响着太阳能电池的性能和效率。故此，本领域希望对电极能够具有高的电催化活性、高的比表面、低的面电阻、高的电子传导率以及高的稳定性。

金属铂薄膜因其具有优异的性能而成为DSSC最常用的的对电极材料，然而，由于金属铂的价格十分昂贵，并且金属铂薄膜多采用磁控溅射法制备，限制了其作为对电极薄膜的尺寸，从而不利于金属铂对电极的大规模生产。因此，本领域亟需发展一种可替代的低成本的具有较好催化性能且适于大规模生产的对电极材料。非贵金属对电极中的重要代表——碳基对电极应运而生。碳基对电极是近年兴起的对电极材料，虽然碳基对电极发展迅速，但是在仍然存在与导电玻璃结合力差、容易脱落、制备工艺复杂等问题。

现有技术中涉及非贵金属碳基对电极的专利如下文所列：

专利一：申请号为201010596987.X的中国专利《石墨烯染料敏化太阳能电池及其生产方法》公开了一种对电极的制备方法，具体内容如下：将基于CVD生长的石墨烯采用旋涂法或者吸附法敷于经清洁、干燥处理后的基底表面，然后将氯铂酸溶于水中并加入NaOH溶液调节pH值为9～13，然后将上述敷有石墨烯导电层的基底置于氯铂酸溶液中，并缓慢加入NaBH₄至溶液中NaBH₄的浓度为1×10^-3mol/L～1×10^-1mol/L为止，然后于室温下处理2～4小时，使得还原出的金属铂颗粒吸附于石墨烯电极表面，从而得到石墨烯导电层及石墨烯与金属铂颗粒形成的复合催化剂的对电极。这一方法为多步法，石墨烯的合成需要复杂的工艺，并且制备对电极过程中需要强腐蚀性的溶剂。反应时间长，步骤多，能耗大，限制了工业化生产。

专利二：申请号为201110004929.8的中国专利《染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法》中公开了一种将碳材料与过渡金属元素单质或化合物为10∶1～1∶10混合后充分研磨形成混合浆料，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；然后将制得浆料采用丝网印刷或者旋涂的方法在导电基底上成膜，而后置于80～120℃干燥1～24小时，再于特定气氛下煅烧0.5～24小时完成氮化处理或者碳化处理，最终制得氮化物/碳或者碳化物/碳的对电极。这一方法仍为多步法，并且干燥与制备过程时间较长，阻碍其工业化生产。

专利三：申请号为201110389174.8的中国专利《敏化类太阳能电池的碳/金属复合对电极及其制备方法》中公开了一种将少量噻吩添加至乙醇中，再加入适量金属茂合物，然后将自制的蜡烛芯浸泡在上述溶液中，取出晾干后制得蜡烛，然后采用制得蜡烛火焰熏烤FTO导电基板从而得到碳/金属复合对电极。这一方法需要自制蜡烛芯，制备工序繁杂；此外，所用原料有较大的毒性，会造成环境污染或破坏。