[发明专利]一种染料敏化太阳能电池用过渡金属磷化物/氮掺杂碳纳米管复合对电极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池用过渡金属磷化物/氮掺杂碳纳米管复合对电极材料及其制备方法：过渡金属磷化物/氮掺杂碳纳米管复合对电极材料是由过渡金属磷化物和氮掺杂碳纳米管组成，且过渡金属磷化物是半嵌入在氮掺杂碳纳米管的末端，过渡金属磷化物在复合对电极材料中的质量分数为20~50 wt.%。本发明提供的具有特定异质界面结合特性、特定组分及形貌结构的过渡金属磷化物/氮掺杂碳纳米管复合对电极材料在染料敏化太阳能电池应用中表现出较传统Pt对电极更小的电荷转移阻抗、更高的光电转换效率及更优的电化学稳定性等应用优势，且制备工艺简单、成本低廉，易于规模化生产，有利于推进染料敏化太阳能电池的商业化应用。

技术领域

本发明涉及染料敏化太阳能电池对电极材料技术领域，具体为一种染料敏化太阳能电池用过渡金属磷化物/氮掺杂碳纳米管复合对电极材料及其制备方法。

背景技术

随着日益增长的化石燃料消耗、大量的碳排放、以及严重的环境污染等问题，国内外研究人员开始探索绿色、环保以及能够持久生产能源的新技术，以实现未来能源的长久稳定供应。染料敏化太阳能电池作为一类代表性且十分有前景的光电转换技术，由于能够高效地将储量丰富、清洁无污染的太阳能直接转换成电能，且器件制作工艺简单、价格低廉，在最近几年受到了国内外研究人员的广泛关注 [1]。

染料敏化太阳能电池一般是由染料敏化的多孔二氧化钛光阳极、含有碘三根离子/碘离子氧化还原电对的电解液和对电极三部分组成。对电极是染料敏化太阳能电池器件中的重要部件之一，主要是用于收集和传输外电路电子以及催化还原电解液中的碘三根离子为碘离子，进而再生染料敏化剂，对电池的光电转换效率有很大影响。一般，理想的对电极材料需要满足4个条件：①突出的电子导电性；②快速的电解液离子扩散能力；③优异的电催化活性；④良好的化学稳定性。贵金属Pt是当前最常用且性能最佳的对电极材料。然而，Pt储量有限，价格昂贵，且化学稳定性不足（在腐蚀性的电解液中易生成非活性的PtI₄），造成了其在染料敏化太阳能电池中难以规模化应用 [2]。因此，开发高效、稳定且低成本的新型非铂对电极材料成为规模化生产染料敏化太阳能电池的关键。目前开发的新型非铂对电极材料主要包括以下几类: 碳基材料（石墨、碳纳米管、石墨烯、多孔碳等）[3-5]、金属化合物（金属碳化物、金属氮化物、金属硫化物、金属硒化物和金属磷化物等）[6]、导电聚合物 [7]、合金 [8]以及它们的复合物 [9]。

碳基材料，拥有大量的缺陷位点，高的比表面积，开放的孔结构和优异的化学稳定性，是目前最受瞩目且已被广泛应用的新型非铂对电极材料。但是，唯一不足的是，纯碳材料的电催化活性通常低于贵金属Pt [10]。最近，研究者们开始利用多种方式来提升纯碳材料的电催化活性，包括同素异形转变、结晶程度调整、官能团嫁接、边缘缺陷构建、化学组分调控、形貌调变等。很多前期研究结果发现，通过将高密度的间隙型非贵金属化合物均匀负载在导电氮掺杂多孔碳基体上是构建高效碳基复合对电极材料的最有效方式之一，主要源于这种复合材料能够同时实现结构重整、组分调控及形貌优化等多种改进，从而产生及暴露最大量的催化活性位点，同时又兼具高的电子-离子导电性 [11]。

氮掺杂的碳纳米管，作为最具代表性的一维纳米结构的碳基体，已经被广泛用于与其他功能材料（例如金属、氮化物、硫化物、磷化物、导电聚合物等）结合来构建新型碳基复合材料 [12,13]。目前大多数情况下，构建这种新型碳基复合材料选用的是异位负载方法。但是，通过异位负载方法引入的活性纳米粒子是物理性负载在碳基体上，与碳基体粘合强度低且容易形成大的晶界和缺陷，在液态电解液中催化还原碘三根离子的过程中，极易造成活性组分的脱落以及在异质结处产生较大的界面接触阻抗，从而降低了电子传输速率和电荷转移效率，最终导致较差的催化活性和较低的光电转换效率。