CN103021669A - 一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，其包括导电基底，所述导电基底包括透明导电玻璃和附着于该透明导电玻璃上的，具有高比表面积的导电反蛋白石层，其中，所述的反蛋白石层为多孔网格结构，且在孔道表面负载有铂(Pt)纳米晶颗粒。本发明还公开了所述染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法。本发明通过设计三维反蛋白石结构的导电基底，从而显著增加Pt催化位点的数目，加快对电极的还原过程，从而增强光电子传输。三维导电基底对透过到对电极上的光具有反射作用，使光阳极对光的利用率提高。将三维反蛋白石结构的导电网格与Pt纳米晶颗粒复合，提高电解质在对电极的还原反应速率，减小电解质的传输距离。

Description

一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池对电极，具体涉及一种具有三维对电极结构的染料敏化的太阳能电池。
背景技术
太阳能作为一种清洁的可再生能源，引起人们广泛的关注，是传统能源的最佳替代者。染料敏化太阳能电池因其制作简单、成本低廉等优点而被广泛研究。染料纳米薄膜太阳能电池通常由导电玻璃基片、纳米级多孔薄膜、敏化剂、电解质、对电极几部分组成。1991年，瑞士Gratzel研究小组首次利用多孔TiO2作为光阳极、以羧酸联吡啶钌(II)配合物作为敏化染料得到了在AM1.5模拟太阳光下光电转化效率达7.1％的光伏电池(参见Oregan，B；Gratzel，M.Nature.1991，353，737)。到目前为止，Gratzel小组制作的染料敏化太阳能电池最高效率已达12.3％(参加Aswani Yella，etal.Science 334，629(2011))，其技术指标已经很接近实际应用的要求。
染料敏化太阳能电池工作时，染料分子吸收光子，由基态转化为激发态，激发态染料分子将光生电子注入到纳米晶TiO2的导带中，电子被收集并由外电路传输到对电极，失去电子的染料分子将空穴注入导电介质中，I-捕获空穴被氧化成I3 -，在对电极I3 -获得电子被还原成I-。一般来说，在对电极发生两种反应：I3 -+2e-＝3I-；3I2+2e-＝2I3 -前者的反应速率是太阳能电池的决定因素。为了使上述反应速率加快，对电极对还原反应应该有较高的电催化性能以及高的比表面积和足够高的导电性，从而把电子迅速的转移给氧化还原电对。现在越来越多的人研究对电极材料，例如，活性炭、石墨烯、碳纳米管、导电聚合物等，但是Pt还是目前应用最多、效率较高的材料。但目前技术一般是将Pt颗粒平铺在导电玻璃上，其催化位点有限。故如何提高Pt在对电极上的电催化位点，成为提高电池转换效率的关键问题。本文通过对导电基底的设计增加Pt的催化位点，从而提高光电转换效率。
发明内容
本发明目的是针对上述不足，提供一种染料敏化太阳能电池的对电极及其制备方法，将对电极构筑成三维导电网格结构，有利于电子的快速传输，且利于电解质的扩散，达到提高光电转化效率的效果。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：
一种染料敏化太阳能电池的对电极，其包括导电基底，所述导电基底包括透明导电玻璃和附着于该透明导电玻璃上的，具有高比表面积的导电反蛋白石层，其中，所述的反蛋白石层为多孔网格结构，且在孔道表面负载有铂纳米晶颗粒。
所述的反蛋白石层厚度为1～15μm，其孔径为100～1500nm。
所述的反蛋白石层由含氟无机盐或有机盐掺杂含锡无机盐或有机盐、无机锑盐掺杂含锡无机盐或有机盐其中一种，并加入醇类有机溶剂制成，其中，氟与锡的物质的量比为0.01～4∶1，锑与锡的物质的量比为0.01～0.1∶1，所述醇类为乙醇、异丙醇或丁醇。
所述的含氟无机盐或有机盐为氟化钠、氟化钾、氟化铵、1-甲基-3-乙基咪唑三氟乙酸、四乙基氟化铵其中一种。
所述的无机锑盐为三氯化锑或五氯化锑。
所述的含锡无机盐或有机盐为二氯化锡、四氯化锡或草酸锡。
所述的Pt的负载量为1～40μg/cm2。
一种上述染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其包括以下步骤：
(1)取粒径为180nm～2000nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为1～20μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟或锑掺杂含锡无机盐或有机盐溶液，其中氟与锡的物质的量比为0.01～4∶1，锑与锡的物质的量比为0.01～0.1∶1，将该溶液加入醇类有机溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在400～600℃条件下煅烧1～4小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到具有反蛋白石结构的导电基底；
(4)将氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在80～150℃条件下保温10～30分钟，然后将温度升至300～500℃，保温0.5～2小时，得到三维导电对电极。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过设计三维反蛋白石结构的导电基底，从而显著增加Pt催化位点的数目，加快对电极的还原过程，从而增强光电子传输。
2、本发明中，三维导电基底对透过到对电极上的光具有反射作用，使光阳极对光的利用率提高。
3、本发明中将三维反蛋白石结构的导电网格与Pt纳米晶颗粒复合，提高电解质在对电极的还原反应速率，减小电解质的传输距离。
4、本发明工艺方法合理，反应条件温和，不需要昂贵的设备和原料，有利于生产的控制和推广，易于产业化。
附图说明
图1为本发明中的三维反蛋白石结构层的对电极的扫描电镜图。
具体实施方式
实施例1：本实施例提供的染料敏化太阳能电池的对电极，其包括导电基底，所述导电基底包括透明导电玻璃和附着于该透明导电玻璃上的，具有高比表面积的导电反蛋白石层，其中，所述的反蛋白石层为多孔网格结构，且在孔道表面负载有铂纳米晶颗粒。
所述的反蛋白石层厚度为1～15μm，其孔径为100～1500nm。
所述的反蛋白石层由含氟无机盐或有机盐掺杂含锡无机盐或有机盐、无机锑盐掺杂含锡无机盐或有机盐其中一种，并加入醇类有机溶剂制成，其中，氟与锡的物质的量比为0.01～4∶1，锑与锡的物质的量比为0.01～0.1∶1。
所述的含氟无机盐或有机盐为氟化钠、氟化钾、氟化铵、1-甲基-3-乙基咪唑三氟乙酸、四乙基氟化铵其中一种。
所述的无机锑盐为三氯化锑或五氯化锑。
所述的含锡无机盐或有机盐为二氯化锡、四氯化锡或草酸锡。
所述的Pt的负载量为1～40μg/cm2。
一种上述染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其包括以下步骤：
(1)取粒径为180nm～2000nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为1～20μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟或锑掺杂含锡无机盐或有机盐溶液，其中氟与锡的物质的量比为0.01～4∶1，锑与锡的物质的量比为0.01～0.1∶1，将该溶液加入醇类有机溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在400～600℃条件下煅烧1～4小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到具有反蛋白石结构的导电基底；
(4)将氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在80～150℃条件下保温10～30分钟，然后将温度升至300～500℃，保温0.5～2小时，得到三维导电对电极。
参见图1，图中可以看出本发明的三维反蛋白石结构的导电网格与Pt纳米晶颗粒复合结构，可提高电解质在对电极的还原反应速率，减小电解质的传输距离。
实施例2：本实施例提供一种染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其步骤与实施例1基本相同，其不同之处在于：
(1)取粒径为180nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为1μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟掺杂四氯化锡溶液，其中氟的前驱物为氟化铵，且氟与锡的物质的量比为4∶1，将该溶液加入乙醇溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在500℃条件下煅烧2小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到得到孔径100nm的厚度为1.0μm的氟锡共掺杂的反蛋白石结构层；
(4)将4.8mm氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在80℃条件下保温10分钟，然后将温度升至450℃，保温0.5小时，得到三维导电对电极。
实施例3：本实施例提供一种染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其步骤与实施例1、2基本相同，其不同之处在于：
(1)取粒径为600nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为3μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟掺杂二氯化锡溶液，其中氟的前驱物为氟化钠，且氟与锡的物质的量比为0.67∶1，将该溶液加入丁醇溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在400℃条件下煅烧4小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到得到孔径450nm的厚度为1.8μm的氟锡共掺杂的反蛋白石结构层；
(4)将4.8mm氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在100℃条件下保温20分钟，然后将温度升至300℃，保温2小时，得到三维导电对电极。
实施例4：本实施例提供一种染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其步骤与实施例1、2、3基本相同，其不同之处在于：
(1)取粒径为820nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为9.2μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟掺杂四氯化锡溶液，其中氟的前驱物为氟化钾，且氟与锡的物质的量比为2.67∶1，将该溶液加入异丙醇溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在600℃条件下煅烧1小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到得到孔径600nm的厚度为6.8μm的氟锡共掺杂的反蛋白石结构层；
(4)将4.8mm氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在150℃条件下保温10分钟，然后将温度升至500℃，保温0.5小时，得到三维导电对电极。
实施例5：本实施例提供一种染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其步骤与实施例1、2、3、4基本相同，其不同之处在于：
(1)取粒径为2000nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为20μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置锑掺杂四氯化锡溶液，其中锑的前驱物为三氯化锑，且氟与锡的物质的量比为0.05∶1，将该溶液加入乙醇溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在500℃条件下煅烧2小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到得到孔径1500nm的厚度为15μm的氟锡共掺杂的反蛋白石结构层；
(4)将4.8mm氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在80℃条件下保温30分钟，然后将温度升至450℃，保温0.5小时，得到三维导电对电极。
实施例6：本实施例提供一种染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其步骤与实施例1、2、3、4、5基本相同，其不同之处在于：
(1)取粒径为600nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为3μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟掺杂四氯化锡溶液，其中氟的前驱物为四乙基氟化铵，且氟与锡的物质的量比为0.5∶1，将该溶液加入乙醇溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在500℃条件下煅烧3小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到得到孔径450nm的厚度为1.7μm的氟锡共掺杂的反蛋白石结构层；
(4)将4.8mm氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在100℃条件下保温10分钟，然后将温度升至450℃，保温1小时，得到三维导电对电极。
但以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，并非用以局限本发明的专利范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化所获得的其他实施例，均包含在本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，其包括导电基底，所述导电基底包括透明导电玻璃和附着于该透明导电玻璃上的，具有高比表面积的导电反蛋白石层，其中，所述的反蛋白石层为多孔网格结构，且在孔道表面负载有铂(Pt)纳米晶颗粒。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述的反蛋白石层厚度为1～15μm，其孔径为100～1500nm。
3.根据权利要求1或2所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述的反蛋白石层由含氟无机盐或有机盐掺杂含锡无机盐或有机盐、无机锑盐掺杂含锡无机盐或有机盐其中一种，并加入醇类有机溶剂制成，其中，氟与锡的物质的量比为0.01～4∶1，锑与锡的物质的量比为0.01～0.1∶1，所述醇类为乙醇、异丙醇或丁醇。
4.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述的含氟无机盐或有机盐为氟化钠、氟化钾、氟化铵、1-甲基-3-乙基咪唑三氟乙酸、四乙基氟化铵其中一种。
5.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述的无机锑盐为三氯化锑或五氯化锑。
6.根据权利要求3所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述的含锡无机盐或有机盐为二氯化锡、四氯化锡或草酸锡。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池的对电极，其特征在于，所述的Pt的负载量为1～40μg/cm2。
8.根据权利要求1至7之一所述的染料敏化太阳能电池的对电极的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)取粒径为180nm～2000nm的聚苯乙烯微球，通过室温垂直沉积法，在透明导电玻璃上制备厚度为1～20μm的聚苯乙烯胶晶板，作为模版；
(2)配置氟或锑掺杂含锡无机盐或有机盐溶液，其中氟与锡的物质的量比为0.01～4∶1，锑与锡的物质的量比为0.01～0.1∶1，将该溶液加入醇类有机溶液中，制成混合溶液；
(3)将步骤(2)所制备的混合溶液，旋涂到步骤(1)所制备的聚苯乙烯胶晶板上，然后置于马弗炉中，在400～600℃条件下煅烧1～4小时，除去聚苯乙烯胶晶板，得到具有反蛋白石结构的导电基底；
(4)将氯铂酸浆料涂在步骤(3)所制得的具有反蛋白石结构的导电基底上，并置于马弗炉中，先在80～150℃条件下保温10～30分钟，然后将温度升至300～500℃，保温0.5～2小时，得到三维导电对电极。
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