CN104409218A - 一种用于量子点敏化太阳能电池的CuXS对电极及其制备和应用 - Google Patents

一种用于量子点敏化太阳能电池的CuXS对电极及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极及其制备和应用，对电极仅由导电基片和CuxS薄膜组成，其制备方法包括：通过磁控溅射技术在洗净、烘干后的导电基片表面上沉积铜膜；配制多硫化物溶液；将含铜膜的导电基片浸在多硫化物溶液中进行反应，洗涤和干燥后即得。本发明的工艺路线简便，成本低廉，制得的CuxS薄膜均匀且与导电基片的结合性好，极大地改善了对电极的性能，应用在量子点敏化太阳能电池中有较好的光电转换性能，具有潜在的应用前景。

Description

一种用于量子点敏化太阳能电池的CuXS对电极及其制备和应用
技术领域
本发明属于太阳能电池的对电极及其制备和应用领域，特别涉及一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极及其制备和应用。
背景技术
太阳能是最有希望在21世纪得到广泛应用的能源之一，在其利用中，太阳电池发电最受瞩目，它具有转化环节少、资源蕴含量取之不尽、能源质量高、建设周期短、发电方式接近零排放等优势。以无机半导体量子点作为敏化剂的敏化太阳能电池具备低成本和高理论转化率等优点，目前受到人们的广泛关注，被称为第三代太阳能电池。目前国际上大部分研究中量子点太阳能电池的常用电解质为S2-/Sn 2-多硫电解质。Pt是敏化太阳能电池中最常用的对电极，但是在S2-/Sn 2-多硫电解质体系中，Pt和其它贵金属对电极的催化活性较低。因此，研究和开发廉价高效的非Pt对电极是敏化太阳能电池研究的热点。
金属硫化物如PbS、CoS、CuS、Cu2S等作为量子点敏化太阳能电池的对电极有优良的催化性能，其中以CuS和Cu2S(CuxS)对电极的性能更佳。研究者常采用铜片腐蚀法制备CuxS对电极，相对于传统的铂对电极而言，量子点敏化太阳能电池的光电转换效率有明显的提高，但是这种方法制备的CuxS层容易脱落、电池不易封装、铜片基体受多硫化物电解质腐蚀而导致稳定性较差等缺点。也有通过电化学沉积、化学水浴沉积等方法制备CuxS对电极，但制备过程较复杂且制得的CuxS层不均匀。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极及其制备和应用，本发明制备工艺路线简单，成本低廉，制得的CuxS薄膜均匀且与导电基片的结合性好，极大地改善了对电极的性能。
本发明的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极，所述对电极包括导电基片和CuxS薄膜；X值为1.0-2.0；其中导电基片为金属或透明导电玻璃。
所述金属为Ti、Pt、不锈钢中的一种；透明导电玻璃为掺F的SnO2(FTO)或掺Sn的In2O3(ITO)玻璃。
本发明的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，包括：
(1)通过磁控溅射方法在洗净、烘干后的导电基片表面上沉积铜膜；其中磁控溅射方法的具体工艺为：用99.99％的高纯Cu靶作为Cu膜沉积的溅射靶，调节导电基片与靶材的距离，对溅射室抽真空后，通入氩气；打开电源，进行溅射，得到Cu膜导电基片；
(2)室温下，在溶剂中加入单质硫、硫化物，搅拌即得多硫化物溶液；
(3)将Cu膜导电基片浸入多硫化物溶液中反应20s～20min，洗涤，烘干，得到CuxS对电极。
所述步骤(1)中洗净为：依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5～45min；烘干为：40℃的真空干燥箱中烘干。
所述步骤(1)中导电基片与靶材的距离为13-15cm；抽真空后的真空度小于1.0×10-4Pa；通入氩气的速率为80-100cm3/min，氩气的纯度为99.99％。
所述步骤(1)中溅射为采用直流溅射，溅射功率为75W，溅射时间为20s～20min。
所述步骤(2)中溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种或两种；单质硫的形态为：沉降流、升华硫、精制硫中的一种或几种；硫化物为硫化钠、硫化钾、硫化铵中的一种或几种。
所述步骤(2)中多硫化物溶液中单质硫的浓度为0.1～3.0mol/L；硫化物的浓度为0.1～3.0mol/L；搅拌时间为0.5～8h。
所述步骤(3)中洗涤为甲醇、乙醇、去离子水中的一种或几种洗涤2-5次；烘干为：100℃烘干1-2h。
本发明的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的应用，其特征在于：CuxS对电极与CdS/CdSe/TiO2共敏化光阳极、多硫化物电解质组装成量子点敏化太阳能电池。
有益效果
本发明的制备工艺路线简便，成本低廉，制得的CuxS薄膜均匀且与导电基片的结合性好，极大地改善了对电极的性能；所制备的对电极仅由CuxS膜层和导电基片组成，与CdS/CdSe/TiO2共敏化光阳极、多硫化物电解质组装成的量子点敏化太阳能电池，在标准模拟太阳光照射下有较好的光电转换性能，具有潜在的应用前景。
附图说明
图1是以透明导电玻璃为基片，在溅射功率为75W、溅射时间为2min后获得的Cu膜及经过反应后得到的CuxS膜的场发射扫描电镜照片；其中(a)Cu膜；(b)CuxS膜；
图2是以透明导电玻璃为基片，在溅射功率为75W、溅射时间为2min后获得的Cu膜及经过反应后得到的CuxS膜的X射线衍射谱图；其中(a)导电玻璃；(b)Cu膜；(c)CuxS膜。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
将FTO导电基片依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗15min，之后放入40℃的真空干燥箱中烘干后放入磁控溅射室内，用99.99％的高纯Cu靶作为Cu膜沉积的溅射靶，调节基片与靶材的距离为15cm；利用机械泵、分子泵对溅射室抽真空，使其真空度小于1.0×10-4Pa，通入80cm3/min纯度为99.99％以上的氩气；打开直流溅射电源，控制溅射功率为75W，溅射时间分别为1min,2min,3min，得到不同溅射时间的Cu膜，记作Cu(1)/FTO、Cu(2)/FTO、Cu(3)/FTO。室温下，在去离子水/甲醇(体积比为7/3)混合溶剂中加入单质沉降硫、硫化钠，搅拌4h后即得到多硫化物溶液，其中单质硫的浓度为1.0mol/L，硫化钠的浓度为1.0mol/L。将不同溅射时间下制得的Cu/FTO浸在多硫化物溶液中反应2min，然后用甲醇多次洗涤，在100℃的真空干燥箱中烘干2h后得到CuxS/FTO对电极，分别用CuxS(1)/FTO、CuxS(2)/FTO、CuxS(3)/FTO表示。
将上述实施例的CuxS/FTO对电极组装成量子点敏化太阳能电池，进行光电转化性能测试，其中光阳极为采用刮涂法制备的纳米TiO2(P25)多孔膜(M.et al.Science,2011,334,629.)。量子点为连续离子层吸附反应法(SILAR)制备的CdS和CdSe共敏化剂(Q.Wang,et al.ACS Nano,2011,4,3172.)。电解液为2M沉降硫、2M硫化钠、0.2M氯化钾的水溶液。作为对比，在FTO导电玻璃上沉积了铂(热解法)对电极，各种对电极用于量子点敏化太阳能电池的光电转换性能如表1所示。
结果表明，利用磁控溅射方法制备的Cu膜和CuxS膜均匀(如图1所示)，与导电玻璃结合力较好且不易脱落；Cu膜与多硫化物反应后得到的CuxS相(如图2所示)，主要由CuS、Cu2S构成；给定溅射条件下，当溅射时间为2min(铜膜厚度约为0.45μm)获得的CuxS/FTO对电极组装的CdS/CdSe量子点共敏化太阳能电池在标准模拟太阳光照射下具有较佳的光电转换性能，其开路电压为0.48V，短路光电流密度为16.47mA/cm2，填充因子为0.46，光电转换效率达到3.67％。与铂对电极相比，有较高的短路光电流密度和光电转换效率，如表1所示。
表1
因此，本发明制备的CuxS/FTO对电极是一种更加优良的用于量子点敏化太阳能电池的对电极。

Claims (10)

1.一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极，其特征在于：所述对电极包括导电基片和CuxS薄膜；X值为1.0-2.0；其中导电基片为金属或透明导电玻璃。
2.根据权利要求1所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极，其特征在于：所述金属为Ti、Pt、不锈钢中的一种；透明导电玻璃为掺F的SnO2FTO玻璃或掺Sn的In2O3ITO玻璃。
3.一种如权利要求1所述的用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，包括：
(1)用99.99％的高纯Cu靶作为Cu膜沉积的溅射靶，通过磁控溅射方法在洗净、烘干后的导电基片表面上沉积铜膜，得到Cu膜导电基片；
(2)室温下，在溶剂中加入单质硫、硫化物，搅拌即得多硫化物溶液；
(3)将Cu膜导电基片浸入多硫化物溶液中反应20s～20min，洗涤，烘干，得到CuxS对电极。
4.根据权利要求3所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中洗净为：依次用丙酮、无水乙醇、去离子水超声清洗5～45min；烘干为：40℃的真空干燥箱中烘干。
5.根据权利要求3所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中导电基片与靶材的距离为13-15cm。
6.根据权利要求3所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中溅射为采用直流溅射，溅射功率为75W，溅射时间为20s～20min。
7.根据权利要求3所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中溶剂为甲醇、乙醇、去离子水中的一种或两种；单质硫的形态为：沉降流、升华硫、精制硫中的一种或几种；硫化物为硫化钠、硫化钾、硫化铵中的一种或几种。
8.根据权利要求3所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中多硫化物溶液中单质硫的浓度为0.1～3.0mol/L；硫化物的浓度为0.1～3.0mol/L；搅拌时间为0.5～8h。
9.根据权利要求3所述的一种用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中洗涤为甲醇、乙醇、去离子水中的一种或几种洗涤2-5次；烘干为：100℃烘干1-2h。
10.一种如权利要求1所述的用于量子点敏化太阳能电池的CuxS对电极的应用，其特征在于：CuxS对电极与CdS/CdSe/TiO2共敏化光阳极、多硫化物电解质组装成量子点敏化太阳能电池。
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