[发明专利]用于量子点敏化太阳电池复合材料柔性对电极的制备方法

说明书

本发明公开了用于量子点敏化太阳电池复合材料柔性对电极的制备方法，将纳米金属颗粒分散于氧化石墨烯水溶液中，并搅拌混合均匀；将负载纳米金属颗粒的氧化石墨烯水溶液还原为均匀负载纳米金属颗粒的石墨烯复合水凝胶；将所得的复合水凝胶浸置于含聚硫电解质的甲醇溶液中，形成负载均匀的金属硫化物复合石墨烯水凝胶；采用压片机压片方法将金属硫化物复合石墨烯水凝胶按压到柔性钛网基底上，将压片完成后的复合材料柔性对电极烘干后待用。本发明的有益效果是能有效提高量子点敏化太阳电池光电转换性能及稳定性。

技术领域

本发明属于新型太阳电池和能源技术领域，涉及用于量子点敏化太阳电池复合材料柔性对电极的制备方法。

背景技术

随着经济社会快速发展和人口数量急剧增加，人们对化石能源的消耗与日俱增。然而，化石能源的过度消耗带来诸如雾霾、酸雨及温室效应等一系列环境问题。因此，人们亟需摆脱对常规化石能源的过度依赖，改变现有能源结构，致力于开发可再生清洁能源，其中太阳能被认为是目前最具发展潜力的清洁能源。太阳能电池能将太阳能直接转化为电能，且器件安置不受地域限制，具有清洁、能量来源丰富和使用寿命长等优势。因此人们期待通过设计开发各类新型低成本兼具高效率太阳能电池，是目前解决化石能源枯竭、气候变暖等影响经济社会可持续发展问题的有效途径。量子点敏化太阳电池由于制作工艺简单，成本低廉尤其是内部多激子效应而具备高转化效率的潜力，受到人们的广泛关注。量子点敏化太阳电池主要包括量子点敏化剂、光阳极、电解液及对电极四个部分组成。作为量子点敏化太阳电池重要组成部件，对电极主要起到两个方面作用，其一是接收外电路电子并高效传递，其二是在对电极和电解液界面间催化还原电解液。因此，量子点敏化太阳电池理想对电极需要具备优良的导电性、高的催化活性以及高的比表面积。此外，需要具有良好的稳定性、耐腐蚀性及成本低廉等特质。量子点敏化太阳电池的对电极材料包括贵金属材料、金属化合物材料、碳基材料及导电聚合物材料等四种类型。然而，这些单一对电极材料各具特征，且目前还不能很好的兼具高导电性、高催化活性及高化学稳定性等各方面优势，如普遍使用的Cu₂S/brass对电极，虽具有良好的导电性和催化性能，但同时也会受到电解液的持续腐蚀，造成电池的稳定性变差。金属硫化物材料添加粘合剂并通过丝网印刷或刮刀法涂抹于FTO或ITO导电基底上，由于催化材料与基底间的附着力和接触不牢固，且粘合剂影响电极导电性能，造成器件性能及稳定性较差。因此，我们亟需开发复合材料对电极。各种类型复合材料基对电极主要包括硫化物/金属、复合基硫化物、硫化物/碳基衍生物及金属/碳基等各种复合材料。目前，研究人员开发出各种类型复合材料对电极，主要有包括CuS/Pt、Cu₂S/RGO、CuS/CoS、NiS/PbS、PbS/carbon black、CuInS₂/Carbon、carbon dot/Au及PVP-CuS等类型对电极。Lee等通过在碳纳米管-石墨烯杂化结构上负载氮化钛纳米颗粒制备出非贵金属基对电极，获得的复合结构对电极展示出较高的表面粗糙度、优良的金属接触界面和高的氮化钛颗粒分散性。最终组装成量子点敏化太阳电池的光电转换效率达4.13％，明显高于以金对电极组装成电池效率(3.35％)(Lee J.S.et al.ChemSusChem,2013,6,261-267)。通过电化学阻抗测试表明此对电极优良的催化性能主要得益于碳纳米管/石墨烯杂化结构与氮化钛纳米颗粒的协同效应。一方面，氮化钛纳米颗粒提供较多的催化活性位点满足聚硫电解液还原，同时碳纳米管/石墨烯复合杂化结构所产生较大比表面积的氮化钛颗粒负载空间能够提高电子传输能力。由于石墨烯自身的结构特点使得它具有较大的比表面积和优异的导电性，尤其是与催化活性较高的金属硫化物复合，由于自身较大的比表面积不仅可以负载更多的催化剂，具有更多的催化活性位点。同时，由于自身是由π共轭结构组合而成，电子迁移率较高，具有优良的导电性能。Kamat等设计制备氧化石墨烯-Cu₂S复合结构对电极，其中氧化石墨烯片状结构能够加快电荷传输，并且能够提高Cu₂S材料的催化性能，最终组装成量子点敏化太阳电池的光电性能较Pt对电极有明显提高，填充因子FF较单一Cu₂S材料提高75％左右。通过优化氧化石墨烯与Cu₂S比例，最终基于CdSe敏化剂的量子点敏化太阳电池的光电转换效率提高到4.4％(Kamat P.V.et al.The Journal ofPhysical Chemistry Letters,2011,2,2453-2460)。