一種染料敏化太陽能電池硫化銀對電極的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽能電池領(lǐng)域，尤其是涉及一種染料敏化太陽能電池硫化銀對電極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著能源問題的日益嚴(yán)峻，作為第三代太陽能電池技術(shù)之一的染料敏化太陽能電池受到的更多的關(guān)注，且比傳統(tǒng)的硅基太陽能電池具有組裝簡單、成本較低等優(yōu)勢。典型的染料敏化電池由三部分組成，其中包括光陽極，電解質(zhì)和對電極，組成傳統(tǒng)的三明治結(jié)構(gòu)電池。光陽極主要是由二氧化鈦多孔層吸附N719染料分子構(gòu)成，當(dāng)太陽光照射的時候，N719吸收太陽光激發(fā)出電子并通過二氧化鈦多孔層將其傳遞至外電路。電解質(zhì)的主要功能是復(fù)原染料和傳輸電荷。當(dāng)染料在吸收光子而釋放電子后，電解質(zhì)必須盡快的提供電子，來將處于氧化態(tài)的染料還原至中性態(tài)。目前廣泛使用的是液體電解質(zhì)，由氧化還原Γ/Ι3_電對、有機溶劑以及添加劑組成。理想的對電極材料應(yīng)具備以下條件:(I)具有高的電子催化活性，利于催化13_離子還原成I ⑵電子轉(zhuǎn)移的阻力??；⑶在電解質(zhì)的環(huán)境下，具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。當(dāng)前廣泛用于的對電極是表面鍍有一層鉑的導(dǎo)電玻璃，而由于鉑金屬的成本、豐度及長期穩(wěn)定性等因素的影響，限制了大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。因此，取代貴金屬鉑在染料敏化太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用成為一項重要的工作。
[0003]截止目前，研宄人員制備了一系列的非鉬對電極材料，如碳材料(Angew.Chem.1nt.Ed.2013, 52, 3996 ；Energy Environ.Sc1.2009, 2, 426),有機聚合物(J.Mater.Chem.2012，22，21624)，氧化物(Chem.Commun.2013，49，5945 ；ChemSusChem 2014，7，442)，氮化物(ChemSusChem 2013，6，261)及金屬硫?qū)倩衔?J.Am.Chem.Soc.2012，134，10953 ；Angew.Chem.1nt.Ed.2013, 52, 6694)等。常用的制備方法包括刮涂(Chem.Eur.J.2015，do1: 10.1002/chem.201406124)，原位生長(Chem.Commun.2014，50，4824 ；Chem.Commun.2015，51，1846)，電化學(xué)沉積(Chem.Eur.J.2014，20，474)和滴涂(Chem.Eur.J.2013，19，10107)等。然而，綜合上述材料的電化學(xué)活性、穩(wěn)定性、材料來源及電極的規(guī)?；苽涔に嚨纫蛩?，制備出低成本批量化的對電極讓然面臨著不小的挑戰(zhàn)。
[0004]中國專利CN103021668A公開了半導(dǎo)體納米晶敏化太陽能電池及其制備方法，光陽極使用硫化銀納米晶敏化。使用硫化銀納米晶敏化太陽能電池光陽極，無毒性，所制備的硫化銀納米晶太陽能電池是一種綠色無毒且環(huán)境友好的器件，制備工藝簡單，同時由于硫化銀具有合適的禁帶寬度，獲得了優(yōu)異的電池光電性能，制備的電池具有優(yōu)異的光伏性能。該是通過水相體系化學(xué)沉積中離子連續(xù)吸附的方法得到了硫化銀納米晶；本申請為有機相溶液體系通過高溫裂解法合成硫化銀納米晶。專利中化學(xué)沉積法所得硫化銀顆粒尺寸難以控制，產(chǎn)物結(jié)晶性較高溫方法合成出的差，由于是離子連續(xù)吸附于氧化錫多孔膜中，難以實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)及多用途性。所得硫化銀為吸附于氧化錫薄膜上的一層納米晶，用于納米晶敏化太陽能電池(又稱量子點敏化太陽能電池)的光吸收層，利用的是硫化銀的窄禁帶吸光特性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種簡單制備染料敏化太陽能電池對電極的方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種染料敏化太陽能電池硫化銀對電極的制備方法，采用以下步驟:
[0008](I)制備硫化銀納米晶作為對電極材料；
[0009](2)將硫化銀納米晶溶于溶劑中，經(jīng)超聲分散處理得到硫化銀納米晶墨水；
[0010](3)將硫化銀納米晶墨水涂覆于基底上，并對其進(jìn)行熱處理，得到厚度為0.01-10微米的硫化銀對電極。
[0011]步驟(I)具體采用以下方法:
[0012](1-1)將十八碳烯、油胺及銀源混合，抽真空除水除氧，磁力攪拌，控溫加熱到60攝氏度并維持0.5-1小時使反應(yīng)物充分溶解，此后將整個反應(yīng)體系通入保護(hù)氣；
[0013](1-2)將上述反應(yīng)體系控溫加熱到140攝氏度，注入硫源后加熱到200攝氏度并保持0.5-1小時；
[0014](1-3)利用離心分離獲得產(chǎn)物，并無水乙醇洗滌；在所得沉淀中加入三氯甲烷分散并以SOOOrpm的轉(zhuǎn)速離心分離產(chǎn)物，將所得上層溶液取出揮發(fā)溶劑后即得到粒徑為10-100納米的硫化銀納米晶。
[0015]其中，十八碳烯、油胺的體積比為8-10:1，銀源與硫源的摩爾比為1:2-3，銀源為硝酸銀、醋酸銀、氯化銀或溴化銀，硫源為升華硫、正十二硫醇、叔十二硫醇、硫代乙酰胺、二硫化碳或硫化鈉。
[0016]步驟⑵中的溶劑為三氯甲烷、四氯化碳、二氯甲烷、二氯乙烷、甲苯、苯、環(huán)己烷或己烷，得到的硫化銀納米晶墨水的濃度為1-200毫克/毫升。
[0017]步驟(3)所述的涂覆包括浸涂、旋涂、刮涂、噴墨打印或絲網(wǎng)印刷方式在基底上涂覆1-10次。熱處理是在氮氣、氦氣或氬氣氣氛及常壓條件下，控制溫度為100-500攝氏度加熱0.5-10小時。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備步驟簡單，制備的硫化銀對電極的工藝和過程適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；同時該方法為制備其他材料的染料敏化太陽能電池對電極提供了可以借鑒的思路。
[0019]此外，本發(fā)明可以提供一種簡單的對染料敏化太陽能電池對電極薄膜厚度控制的方法，即控制所得納米晶墨水的濃度為10、20、50、100毫克/毫升。結(jié)果表明，所得對電極薄膜的厚度分別為0.11,0.21,0.53,1.05微米。電化學(xué)測試結(jié)果表明，不同厚度的對電極制備出的太陽能電池具有不同的光電轉(zhuǎn)換效率，分別為6.72 %、7.67 %、8.40 %、7.86 %。這可能是由于以下原因，當(dāng)對電極較薄時，電池電阻較小，會提高其光電流密度，但較少的活性位點導(dǎo)致其填充因子較低，從而影響了電池整體性能。電極較厚時，雖然可以提供更多的活性位點，但也會導(dǎo)致電池的電阻偏大，從而導(dǎo)致其性能仍然難以提升。因此在活性位點的數(shù)量和電池的整體電阻之間存在著平衡，本發(fā)明中對電極的最佳厚度約為0.53微米。
[0020]本申請合成出的硫化銀為尺寸均一(約18納米)、分散性良好(形成納米墨水)的納米顆粒，硫化銀納米墨水通過附著于FTO導(dǎo)電基底上用以取代傳統(tǒng)貴金屬鉑電極用于染料敏化太陽能電池的催化電極，即對電極，利用的是其將13_還原為I _的催化特性，且獲得了優(yōu)異的性能。此外，本申請所得的硫化銀納米墨水可以用于噴墨打印或噴涂等方式，用于大規(guī)模制備對電極。
【附圖說明】
[0021]圖1為為實施例1制得產(chǎn)物的X射線衍射譜圖；
[0022]圖2為實施例1制得產(chǎn)物的透射電子顯微鏡照片；
[0023]圖3為實施例1中所制備對電極的俯視掃描電子顯微鏡照片；
[0024]圖4為實施例1中所制備對電極的橫截面掃描電子顯微鏡照片；
[0025]圖5為實施例中所制備對電極的橫截面掃描電子顯微鏡照片；
[0026]圖6為實施例1和3中所得染料敏化太陽能電池的電流密度-電壓(J-V)曲線圖。
【具體實施方式】
[0027]本發(fā)明是一種硫化銀納米晶墨水的合成方法，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不僅限于此。
[0028]本發(fā)明實施例所使用原料均為市購分析純產(chǎn)品，且并未進(jìn)行進(jìn)一步純化。
[0029]本發(fā)明所制備材料的物相通過XRD-6000 (Shimadzu)型X-射線衍射儀(Cu靶，鎳濾波片濾波，λ = 0.154納米，管電壓40千伏，管電流30毫安，掃描范圍20度?60度)進(jìn)行表征。
[0030]本發(fā)明所制備材料的形貌通過JEOL公司JEM-2010型透射電子顯微鏡進(jìn)行觀察獲得，所得對電極的表面形態(tài)俯視圖和膜厚度通過Hitachi公司S-4800型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察獲得。<