[发明专利]一种三维多孔结构染料敏化太阳能电池对电极的制备方法

说明书

本发明公开一种三维多孔结构染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，属于太阳能电池技术领域，本发明通过逐步液相回流加热法合成一种特殊的玫瑰花状结构的CuS纳米晶体材料，通过添加具有增稠功能的胶凝剂制成半固态胶状粘稠体，再通过辊压的方法制备CuS薄膜，对其热处理后得到高催化活性的三维多孔结构对电极，本发明制得的对电极最高电池效率达到5.0％，相应的开路电压为0.69V，短路电流密度为9.7mA/cm²；在相同的组装和测试条件下，与商业铂对电极5.8％的电池效率相比，性能相当，提升空间大。

技术领域

本发明涉及一种基于三维多孔结构染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，属于太阳能电池制备技术领域的方法。

背景技术

随着全球能源需求急剧增加，化石燃料燃烧造成一系列环境问题，严重威胁人类的生存，发展新能源已成为国际共识。染料敏化太阳能电池作为一种新型的太阳能利用技术凭借其成本低廉、制备工艺简单、颜色选择范围广、形状设计限制小、可以灵活地应用于生活中各种场景，尤其是与建筑结合，实现光伏建筑一体化。

染料敏化太阳能电池以I₃/I氧化还原反应电对作为媒介在光阳极和对电极之间传递电荷。在这个媒介再生的循环过程中，被氧化的物质(I₂或I₃)在对电极得到电子重新被还原为I^-。而在这一过程中对电极的影响十分显著，为了降低还原过程中对电极上存在的能量损耗，对电极进行优化和改性以提升其催化性能对最终电池效率的提高意义重大。增大对电极的比表面积、导电性、电化学稳定性是提升对电极催化效率的主要思路。由于铂金属作为对电极对电解质氧化还原电对(I₃^-/I^-)具有高的催化活性，而成为目前常用的对电极材料。但是铂金属作为对电极存在以下不足：(1)储量低，价格昂贵不适合产业化；(2)高温分解制备铂对电极无法满足柔性电池的制备要求；(3)容易与I₃^-反应而被腐蚀，降低催化性能。此外常规的铂对电极表面光滑、比表面积小提供的催化活性位点有限，因此，寻找可替代铂金属的对电极材料并且拥有大的比表面积结构显得尤为迫切。硫化铜作为染料敏化太阳能电池对电极材料具有导电性好，化学性质稳定，且所用原材料储量丰富，价格低廉，适合大规模生产等众多优点。因此，研究硫化铜对电极的制备工艺极具意义。文献Chen等采用磁控溅射法，在预处理好的FTO玻璃上溅射一层铜薄膜，然后将铜薄膜放到充满氮气的快速退火炉硫化，200℃保温30min，再300℃保温30min得到硫化铜薄膜，最终得到电池器件效率为4.6％。虽然此方法制备的薄膜均匀，但由于表面光滑导致比表面积小，活性位点有限，且所用设备昂贵，要求较高的真空环境，磁控溅射法大面积制备硫化铜薄膜比较困难，成本高，且样品进出后需对腔室重新抽真空，所需时间较长。Zhang等人以三水合硝酸铜，硫代乙酰胺为原料，以乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为络合剂，采用微波法，在FTO玻璃上120℃反应30min，沉积得到硫化铜薄膜，最终组装成染料敏化电池得到1.05％的电池效率。尽管此方法所用时间相对较短，但由于反应过程剧烈，很难控制沉积薄膜的厚度，且结晶性相对较差，电池效率较低。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种三维多孔结构染料敏化太阳能电池对电极的制备方法以及该对电极在染料敏化电池中的应用，具体包括以下步骤：

(1)将铜源和硫源加入到反应容器中，然后加入溶剂超声搅拌均匀，使得原料完全溶解制得铜硫化合物前驱体溶液，铜源和硫源的摩尔比为1:1～1:5。

(2)将步骤(1)所得溶液进行两步加热反应。

(3)完成两步加热反应后，自然冷却到室温，加入1.5倍混合溶液体积的无水乙醇离心，将上清液倒去，然后再加入无水乙醇，重复洗涤沉淀，上清液无色为止；离心过程为常规方法，优选的离心速度为10000-12000r/min，离心时间为4-6min，重复洗涤3-4次。