專利名稱：染料敏化太陽能電池用金屬硒化物對電極及其制備方法
技術領域：
本發明屬于太陽能電池技術領域，具體涉及ー種應用于染料敏化太陽能電池的金屬硒化物對電極及其制備方法。
背景技術：
自從1991年M. Gratzel教授將納米多孔的概念引入染料敏化寬禁帶TiO2半導體研究中，獲得能量轉換效率7. I %的染料敏化太陽電池(dye-sensitized solar cells, DSSCs)以來(Nature, 1991，353，737)，DSSCs以其低成本、相對簡單的制作エ藝、較高的光電轉化效率等特點，迅速得到國際上的學術界以及エ業界廣泛關注。DSSCs主要由染料敏化的多孔半導體納米晶薄膜、電解質和對電極組成。染料分子受到光照后激發，電子注入半導體薄膜的導帶，電子經外電路回到對電扱，I3-離子在對電極上得到電子生成r離子，r離子擴散到半導體薄膜上再還原氧化態染料，使染料再生，r離子反應后再生成i3_離子，如此循環，從而實現光電轉換。在此過程中，減小由于上述還原反應在對電極上的能量消耗是十分必要的。因此，作為其中ー個重要組成部分，對電極的催化性能對DSSCs的光電轉化效率有著重要的影響。鉬對電極通常采用磁控濺射 (Electrochimi. Acta. , 2001, 46, 3457)、以及氯鉬酸熱分解(J. Electrochem. Soc., 1997，144，876)的方法制得，雖然有較好的催化表現和綜合性能，但由于鉬是貴金屬，且制備方法耗能高，這些方法若用于大規模生產具有明顯的局限性。因此開發新型非鉬、廉價、且具有較高催化活性的對電極，是近年來DSSCs領域ー個研究熱點。不少無機化合物具有耐腐蝕、導電性良好等特點，具有較好的電化學催化活性。近幾年也有不少相關報道，如 CoS (J. Am. Chem. Soc. , 2009, 131，15976)，TiN (Chem. Comm. , 2009，47, 6720) ,MoC (Angew. Chem. Int. Ed. , 2011，50，3582)等，都獲得了較高的光電轉換效率，但這些方法大多需要繁瑣的實驗設備或高溫燒結，制備條件較為苛刻，同樣需要較高的生產成本，因此通過簡單易行的方法制備高效對電極材料具有重要的實際應用價值。
發明內容
針對傳統鉬對電極成本高、耗能大等弊端，本發明的目的在于提出一種成本低、耗能小的染料敏化太陽能電池用對電極及其制備方法。本發明提供的染料敏化太陽能電池用對電極，其材料為金屬硒化物。該金屬硒化物的制備步驟為
(1)將金屬鹽和硒粉加入水熱釜中，再加入水合肼溶液，最后加入適量水，使混合液體積達水熱釜約3/4容量左右；
(2)充分攪拌均勻，然后在水熱釜中放入一塊經清洗的導電基底，水熱釜封緊后進行水熱反應；
(3 )反應結束后，水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電基底，淋洗干凈，吹干。所得材料即可直接作為對電極應用于染料敏化太陽能電池。上述制備方法中，所述的金屬鹽為鈷(Co)、鎳(Ni)或銅(Cu)等金屬的鹽酸鹽、こ 酸鹽或硝酸鹽等，金屬離子與硒粉的摩爾比為1:0. Of 1:100，金屬離子與水合肼的摩爾比為1:0.011:100 ;所述導電基底為導電玻璃或導電聚合物膜等材料；所述水熱反應溫度為 IOO0C 240°C，反應時間為2h 120h。按照本發明制備的對電極，能量轉化效率超過熱解鉬對電扱，而本發明エ藝簡単， Co、Ni等均為廉價金屬,可大大降低對電極乃至DSSCs的制造成本,適于DSSCs的大規模生產。
圖I為本發明實施例I和2中制備的Coa85Se和Nia85Se對電極的掃描電鏡照片。圖2為本發明實施例I和2中制備的Coa85Se和Nia85Se對電極與熱解鉬對電極組裝的DSSCs比較測試的電流-電壓曲線圖(有效面積為0. 2304 cm2)。
具體實施例方式以下結合具體實施例對本發明作進ー步詳細說明。實施例1，將0. I mmol六水合氯化鈷(CoCl2 6H20)和0. 15 mmol硒粉(純度 99.999%)加入50 mL水熱釜中，再加入7. 5 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入30 mL 去離子水，使混合液體積達水熱釜約3/4容量。充分攪拌均勻后，在水熱釜中放入一塊徹底清洗的FTO導電玻璃，水熱釜封緊后，120°C水熱反應12 h。反應結束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電玻璃，淋洗干凈后吹干。根據標準方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0. 2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的電流-電壓(I-V)曲線(圖2曲線I所示)，得到開路光電壓(V0J為739 mV，短路光電流(/J為16. 98 mA/cm2，填充因子(/的為0. 75，能量轉換效率(")為9. 40%o實施例2，將0.2 mmol六水合氯化鎳(NiCl2 6H20)和0. 24 mmol硒粉(純度 99.999%)加入50 mL水熱釜中，再加入15 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入22. 5 mL去離子水，使混合液體積達水熱釜約3/4容量。充分攪拌均勻后，在水熱釜中放入ー塊徹底清洗的FTO導電玻璃，水熱釜封緊后，140°C水熱反應10 h。反應結束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電玻璃，淋洗干凈后吹干。根據標準方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0. 2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的I-V曲線(圖2曲線2所示)，得到Voc為738 mV,Jsc 為 15.63 mA/cm2，戶F 為 0.72，n 為 8.32%。實施例3，將 0.2 mmol CoCl2 .6H20 和 0. 4 mmol 硒粉(純度 99. 999%)加入 50 mL 水熱釜中，再加入20 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入17. 5 mL去離子水，使混合液體積達水熱釜約3/4容量。充分攪拌均勻后，在水熱釜中放入一塊徹底清洗的FTO導電玻璃，水熱釜封緊后，100°C水熱反應24 h。反應結束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電玻璃，淋洗干凈后吹干。根據標準方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0. 2304 cm2。在AMl. 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的I-V曲線，得到し為722 mV，Jsc為14.74 mA/cm2, FF 為 0. 74，為 7. 88 %。實施例4，將 0. 3 mmol NiCl2 6H20 和 0. 4 mmol 硒粉(純度 99. 999%)加入 50 mL水熱釜中，再加入30 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入7. 5 mL去離子水，使混合液體積達水熱釜約3/4容量。充分攪拌均勻后，在水熱釜中放入一塊徹底清洗的FTO導電玻璃，水熱釜封緊后，150°C水熱反應6 h。反應結束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電玻璃，淋洗干凈后吹干。根據標準方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0. 2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的I-V曲線，得到な為706 mV,Jsc為14. 77 mA/cm2,FF 為 0. 68，為 7. 09 %。實施例5，將0. I mmol無水氯化銅(CuCl2)和0. 15 mmol硒粉(純度99. 999%) 加入50 mL水熱釜中，再加入10 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入27. 5 mL去離子水，使混合液體積達水熱釜約3/4容量。充分攪拌均勻后，在水熱釜中放入一塊徹底清洗的 FTO導電玻璃，水熱釜封緊后，180°C水熱反應12 h。反應結束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電玻璃，淋洗干凈后吹干。根據標準方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0. 2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的I-V曲線，得到な為660 mV,Jsc為10. 81 mA/cm2,FF 為 0. 41，為 2. 93 %。比較例，作為比較，我們還在所有其他條件相同的情況下，采用熱解鉬對電極組裝了 DSSC，在AM I. 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的I-V曲線(圖2曲線3所示)，得到匕，為 738 砂，Jsc 為 16.03 mA/cm2，/^* 0.74，為 8. 64 %。按照本發明實施例I制備的Coa85Se對電扱，能量轉化效率超過了熱解鉬對電扱， 實施例2制備的Nia85Se對電極可獲得與熱解鉬相當的光伏表現。本發明エ藝簡単，Co、Ni 均為廉價金屬，從而大大降低了對電極乃至DSSCs的制造成本，可應用于大規模DSSCs的生產。
權利要求
1.ー種染料敏化太陽能電池用的屬硒化物對電極的制備方法，其特征在于具體步驟為(1)將金屬鹽和硒粉加入水熱釜中，再加入水合肼溶液，最后加入適量水；(2)充分攪拌均勻，然后在水熱釜中放入經清洗的導電基底，水熱釜封緊后進行水熱反(3)反應結束后，水熱釜自然冷卻至室溫，取出導電基底，淋洗干凈，吹干；其中，所述的金屬鹽為鈷、鎳或銅金屬的鹽酸鹽、こ酸鹽或硝酸鹽，金屬離子與硒粉的摩爾比為1:0. Of 1:100，金屬離子與水合肼的摩爾比為1:0. Of 1:100 ;所述導電基底為導電玻璃或導電聚合物膜等材料；所述水熱反應溫度為100°C 240°C，反應時間為2tTl20h。
2.如權利要求I所述方法制備的應用于染料敏化太陽能電池的金屬硒化物對電極材料。
全文摘要
本發明屬于太陽能電池技術領域，具體為一種染料敏化太陽能電池用的金屬硒化物對電極及其制備方法。本發明通過一步水熱合成的方法制備金屬硒化物，并原位生長在導電基底上，不需其他任何后處理，直接應用于染料敏化太陽能電池，可以獲得比熱解鉑對電極更佳的能量轉化效率。本發明工藝簡單，所制備的非鉑對電極不僅催化活性高，且價格低廉，大大降低了對電極的成本，進而降低了染料敏化太陽電池的綜合成本，可應用于大規模染料敏化太陽能電池的工業生產。
文檔編號H01L51/44GK102610392SQ20121007595
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優先權日2012年3月21日
發明者宮峰, 王忠勝 申請人:復旦大學