CN106057476B - 一种染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极的制备方法 - Google Patents

一种染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极的一步水热制备方法，其步骤如下：将铁片用碱和酸分别进行处理，以除去表面油污和氧化物，并清洗干净，然后成一定角度置于带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中；另外，将摩尔浓度为0.21mol/L~4.2mol/L的水合肼和摩尔浓度为0.01mol/L~0.8mol/L的硒粉溶入去离子水中，充分混合后转移到该反应釜中，在120℃~200℃、2~18h的条件下反应完全，取出试样，洗涤并真空干燥即为对电极。本发明公开的FeSe2对电极的制备方法简单、廉价，制备周期短，可进行快速大规模的制备。

Description

一种染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术和能源领域，涉及一种染料敏化太阳能电池对电极材料的制备方法。
背景技术
随着传统能源消耗的日益剧增，以及环境问题的日益严峻，开发和利用新能源已成为解决能源危机和环境问题的首选，而在众多的新能源中太阳能无疑是首选，作为一种储量丰富的清洁能源，其具有取之不尽、用之不竭、没有污染，使用方便，不受地域的限制，以及利用成本低等优点。而染料敏化太阳能电池由于其低成本、制备工艺简单和光电转换效率高等优点也备受瞩目。
染料敏化太阳能电池主要由附载了染料的光阳极、电解质和对电极三个部分组成。其中，对电极作为重要部分，具有收集和输运外电路的电子，催化电解质中I3 -还原为I-等作用。而目前一般采用Pt作为染料敏化太阳能电池的对电极材料，虽然具备了高的电催化活性、高电导率以及高的稳定性等优点，但由于Pt属于贵金属，其储量的稀缺增加了电池的成本，而且电解质对其还有一定的腐蚀作用，因而Pt并不能成为染料敏化太阳能电池对电极理想的产业化材料。
于是，需求低成本、储量丰富的对电极材料成为了首选，也因过渡金属硫族化合物具有优异的光学性能、电学性能以及催化性能，从而在染料敏化太阳能电池领域引起了研究者的关注。其中，本发明提供的一步水热法对电极制备方法简单，材料来源丰富，成本低廉，所制备的对电极电催化活性高，填充因子高，有效地提升了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有染料敏化太阳能电池对电极材料价格昂贵、不适合大规模产业化的问题，提供了一种染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极一步水热的制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
将铁片用碱和酸分别进行处理，清洗干净，并作为导电基材和反应物使用；配制一定混合浓度的去离子水溶液，水合肼的摩尔浓度为0.21mol/L~4.2mol/L，硒粉的摩尔浓度为0.01mol/L~0.8mol/L；将混合溶液倒入已放好铁片的反应釜中，在120℃~200℃、2~18h的条件下充分反应，自然冷却至室温，取出试样， 用乙醇洗涤多次，真空干燥得到对电极。
本发明提供了一种染料敏化太阳能电池FeSe2对电极的一步水热制备方法。该方法操作简单，材料来源丰富，成本低廉，所制备的对电极电催化活性高，填充因子高，有效地提升了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
已有专利中使用六水氯化铁作为铁盐与硒粉反应生成硒化铁，该硒化铁再沉积到其他导电衬底上，最终构成对电极。为使硒化铁能在其他衬底上成膜，可能要加入其他化学试剂，从而使工艺繁琐，增加了成本。
本专利不用铁盐，而是在导电衬底Fe上直接原位反应，即金属Fe直接与硒粉反应生成硒化铁（类似于铁片的氧化反应，与已有专利生成硒化铁的反应机理不一样）。而且金属Fe片即作为导电衬底，也作为反应物，在铁片上原位生长硒化铁，具有减小电催化材料（硒化铁）与衬底接触电阻的作用，提高了电池的填充因子，能显著改善电池性能。而且工艺简单，成本低。
附图说明
图1反应物的摩尔浓度分别为2.34mol/L水合肼，0.108mol/L硒粉在140℃条件下一步水热反应不同时间所制备的对电极所组装的DSSCs在标准模拟太阳光照射下的电流密度-电压曲线。
图2反应物的摩尔浓度分别为4.1mol/L水合肼，0.072mol/L硒粉在不同温度下一步水热反应12h所制备的对电极所组装的DSSCs在标准模拟太阳光照射下的电流密度-电压曲线。
图3 C为加入不同摩尔浓度的水合肼及0.072mol/L硒粉在140℃条件下一步水热反应12h所制备的对电极所组装的DSSCs在标准模拟太阳光照射下的电流密度-电压曲线；c为加入不同摩尔浓度的硒粉及2.34mol/L水合肼在140℃条件下一步水热反应12h所制备的对电极所组装的DSSCs在标准模拟太阳光照射下的电流密度-电压曲线；
图4反应物的摩尔浓度分别为2.34mol/L水合肼，0.108mol/L硒粉在140℃条件下一步水热反应：(a)4h时所制备的FeSe2在5μm倍数下的SEM照片，(b)8h时所制备的FeSe2在5μm倍数下的SEM照片，(c)12h时所制备的FeSe2在5μm倍数下的SEM照片，(d)12h时所制备的FeSe2在10μm倍数下的SEM照片
图5反应物的摩尔浓度分别为2.34mol/L水合肼，0.108mol/L硒粉在140℃条件下一步水热反应不同时间所制备的对电极所组装的三电极系统的循环伏安测试曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1 不同反应时间下水热所制备的对电极
将铁片用碱和酸分别进行处理，清洗干净，并作为导电基材和反应物使用；配制一定混合浓度的去离子水溶液，水合肼的摩尔浓度为2.34mol/L，硒粉的摩尔浓度为0.108mol/L；将混合溶液倒入已放好铁片的反应釜中，在140℃的条件下一步水热反应2~18h，自然冷却至室温，取出试样， 用乙醇洗涤多次，真空干燥得到对电极。
（1）为了证明所制备的对电极具有较好的光伏特性，需将制备的对电极组装成DSSCs器件，类似于三明治结构，并测试其在标准模拟太阳光照射条件下的电流密度-电压曲线。
TiO2光阳极的制备：染料敏化太阳能电池光阳极一般为通过涂覆法制备的二氧化钛纳米晶薄膜，二氧化钛浆料由水热合成制得（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P.Liska, C. Grätzel, M. Nazeeruddin, M. Grätzel, Thin Solid Films, 516 (2008)4613-4619.），并采用钌系的N719染料对TiO2光阳极进行敏化。
电解质配比：0.1M 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘)， 0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1：1）。
组装时需滴加电解质，加盖本发明制备的对电极，组装成三明治结构的染料敏化太阳能电池器件，并测试器件的性能。
在室温下，使用1000W的模拟太阳光氙灯光源（Oriel 91192, USA，辐照强度为100W/cm2），电化学工作站等仪器，遮光板可透光照面积为0.25cm2，对所制备的对电极进行组装测试，所测得的电流密度-电压曲线，如图1中所示。其中：反应时间为4h条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.67V，Jsc=13.31mA·cm-2，FF=0.69，PCE=6.19％；反应时间为8h条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.68V，Jsc=14.8mA·cm-2，FF=0.65，PCE=6.51％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）；反应时间为12h条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.66V，Jsc=16.73mA·cm-2，FF=0.69，PCE=7.38％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）；反应时间为16h条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.65V，Jsc=15.24mA·cm-2，FF=0.67，PCE=6.65％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）。充分说明了水热法所制备的试样具有较高的填充因子和电催化活性，因而获得了较高的光电转换效率。
（2）对所制备的对电极进行扫描电镜(SEM)表征，观察其表面微观结构，如图4所示。其中，（a），（b）分别为一步水热反应4h，8h得到的FeSe2纳米杆状结构，（c）和（d）为一步水热反应12h得到的FeSe2纳米杆状结构，由图可知，随着反应时间的逐渐增加，FeSe2纳米杆状结构越密集。该水热法得到的FeSe2薄膜呈纳米杆状结构，这种独特的排列使得纳米粒子的表面积得到了充分的利用，从而提高了对太阳能的光电转换效率。
（3）为证明所制备对电极的催化活性，对试样进行电化学循环伏安测试。测试时采用三电极体系，其中Pt片作为对电极，Ag/AgCl作为参比电极，试样作为工作电极。
在循环伏安测试中，电解质体系为：0.1 M 高氯酸锂 （LiClO4），10 mM碘化锂（LiI）和1 mM 碘（I2）的乙腈溶液。其循环伏安曲线（如图5所示），由图可知，12h条件下所制备的对电极具有较高的氧化还原峰值电流密度和较低的氧化还原峰间距，且优于Pt，进一步证明了其具有较好的电化学催化活性。
实施例2 不同反应温度下水热所制备的对电极
将铁片用碱和酸分别进行处理，清洗干净，并作为导电基材和反应物使用；配制一定混合浓度的去离子水溶液，水合肼的摩尔浓度为4.1mol/L，硒粉的摩尔浓度为0.072mol/L；将混合溶液倒入已放好铁片的反应釜中，在120℃~200℃温度下一步水热反应12h，自然冷却至室温，取出试样， 用乙醇洗涤多次，真空干燥得到对电极。
（1）为了证明所制备的对电极具有较好的光伏特性，需将制备的对电极组装成DSSCs器件，类似于三明治结构，并测试其在标准模拟太阳光照射条件下的电流密度-电压曲线。
TiO2光阳极的制备：染料敏化太阳能电池光阳极一般为通过涂覆法制备的二氧化钛纳米晶薄膜，二氧化钛浆料由水热合成制得（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P.Liska, C. Grätzel, M. Nazeeruddin, M. Grätzel, Thin Solid Films, 516 (2008)4613-4619.），并采用钌系的N719染料对TiO2光阳极进行敏化。
电解质配比：0.1M 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘)， 0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1：1）。
组装时需滴加电解质，加盖本发明制备的对电极，组装成三明治结构的染料敏化太阳能电池器件，并测试器件的性能。
在室温下，使用1000W的模拟太阳光氙灯光源（Oriel 91192, USA，辐照强度为100W/cm2），电化学工作站等仪器，遮光板可透光照面积为0.25cm2，对所制备的对电极进行组装测试，所测得的电流密度-电压曲线，如图2中所示。其中：反应温度为120℃条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.68V，Jsc=12.27mA·cm-2，FF=0.71，PCE=5.96％；反应温度为140℃条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.67V，Jsc=15.34mA·cm-2，FF=0.68，PCE=6.98％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）；反应温度为160℃条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.67V，Jsc=14.85mA·cm-2，FF=0.68，PCE=6.75％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）；反应温度为180℃条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.65V，Jsc=12.91mA·cm-2，FF=0.68，PCE=5.73％。充分说明了水热法所制备的试样具有较高的填充因子和电催化活性，因而获得了较高的光电转换效率。
（2）其循环伏安测试方法和步骤与实例一中相同。
实施例3 不同摩尔浓度的水合肼参与反应所制备的对电极
将铁片用碱和酸分别进行处理，清洗干净，并作为导电基材和反应物使用；配制一定混合浓度的去离子水溶液，水合肼的摩尔浓度为0.21mol/L~4.2mol/L，硒粉的摩尔浓度为0.072mol/L；将混合溶液倒入已放好铁片的反应釜中，在140℃的条件下一步水热反应12h，自然冷却至室温，取出试样， 用乙醇洗涤多次，真空干燥得到对电极。
（1）为了证明所制备的对电极具有较好的光伏特性，需将制备的对电极组装成DSSCs器件，类似于三明治结构，并测试其在标准模拟太阳光照射条件下的电流密度-电压曲线。
TiO2光阳极的制备：染料敏化太阳能电池光阳极一般为通过涂覆法制备的二氧化钛纳米晶薄膜，二氧化钛浆料由水热合成制得（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P.Liska, C. Grätzel, M. Nazeeruddin, M. Grätzel, Thin Solid Films, 516 (2008)4613-4619.），并采用钌系的N719染料对TiO2光阳极进行敏化。
电解质配比：0.1M 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘)， 0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1：1）。
组装时需滴加电解质，加盖本发明制备的对电极，组装成三明治结构的染料敏化太阳能电池器件，并测试器件的性能。
在室温下，使用1000W的模拟太阳光氙灯光源（Oriel 91192, USA，辐照强度为100W/cm2），电化学工作站等仪器，遮光板可透光照面积为0.25cm2，对所制备的对电极进行组装测试，所测得的电流密度-电压曲线，如图3中C所示。其中：C1对应为水合肼摩尔浓度为1.17mol/L条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.66V，Jsc=13.67mA·cm-2，FF=0.68，PCE=6.13％；C2对应为水合肼摩尔浓度为2.34mol/L条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.70V，Jsc=13.84mA·cm-2，FF=0.69，PCE=6.72％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）；C3对应为水合肼摩尔浓度为3.51mol/L条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.65V，Jsc=14.71mA·cm-2，FF=0.68，PCE=6.5％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）。充分说明了水热法所制备的试样具有较高的填充因子和电催化活性，因而获得了较高的光电转换效率。
（2）其循环伏安测试方法和步骤与实例一中相同。
实施例4 不同摩尔浓度的硒粉参与反应所制备的对电极
将铁片用碱和酸分别进行处理，清洗干净，并作为导电基材和反应物使用；配制一定混合浓度的去离子水溶液，水合肼的摩尔浓度为2.34mol/L，硒粉的摩尔浓度为0.01mol/L~0.8mol/L；将混合溶液倒入已放好铁片的反应釜中，在140℃的条件下一步水热反应12h，自然冷却至室温，取出试样， 用乙醇洗涤多次，真空干燥得到对电极。
（1）为了证明所制备的对电极具有较好的光伏特性，需将制备的对电极组装成DSSCs器件，类似于三明治结构，并测试其在标准模拟太阳光照射条件下的电流密度-电压曲线。
TiO2光阳极的制备：染料敏化太阳能电池光阳极一般为通过涂覆法制备的二氧化钛纳米晶薄膜，二氧化钛浆料由水热合成制得（参见S. Ito, T. Murakami, P. Comte, P.Liska, C. Grätzel, M. Nazeeruddin, M. Grätzel, Thin Solid Films, 516 (2008)4613-4619.），并采用钌系的N719染料对TiO2光阳极进行敏化。
电解质配比：0.1M 1-propy-3-methylimidazolium iodide (1-丙基-3-甲基咪唑碘)， 0.05M LiI，0.1M GNCS，0.03M I2，0.5M 4-tert-butylpridine (4-叔丁基吡啶)，溶剂为碳酸丙烯脂与乙腈的混合溶液（体积比为1：1）。
组装时需滴加电解质，加盖本发明制备的对电极，组装成三明治结构的染料敏化太阳能电池器件，并测试器件的性能。
在室温下，使用1000W的模拟太阳光氙灯光源（Oriel 91192, USA，辐照强度为100W/cm2），电化学工作站等仪器，遮光板可透光照面积为0.25cm2，对所制备的对电极进行组装测试，所测得的电流密度-电压曲线，如图3中c所示。其中：c1对应为硒粉摩尔浓度为0.036mol/L条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.66V，Jsc=13.42mA·cm-2，FF=0.68，PCE=6.04％；c2对应为硒粉摩尔浓度为0.072mol/L条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.67V，Jsc=14.85mA·cm-2，FF=0.68，PCE=6.75％，优于Pt电极（Voc=0.65V，Jsc=16.24mA·cm-2，FF=0.61，PCE=6.4％）；c3对应为硒粉摩尔浓度为0.108mol/L条件下所得对电极对应的光伏参数为：Voc=0.66V，Jsc=12.59mA·cm-2，FF=0.72，PCE=5.97％。充分说明了水热法所制备的试样具有较高的填充因子和电催化活性，因而获得了较高的光电转换效率。
（2）其循环伏安测试方法和步骤与实例一中相同。

Claims (1)

1.一种染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
步骤一：将清洗干净的铁片以45°倾角斜置于50 mL不锈钢反应釜的聚四氟乙烯内衬中；
步骤二：将水合肼和硒粉先后加入去离子水中，搅拌至溶液呈棕色后转移至已放好铁片的聚四氟乙烯内衬中，密封，所述的水合肼的摩尔浓度为0.21mol/L~4.2mol/L，硒粉的摩尔浓度为0.01mol/L~0.8mol/L；
步骤三：将上述反应釜在120℃~200℃的条件下反应2~18h，反应完成后，自然冷却至室温，取出试样，并用乙醇洗涤多次，真空干燥即得到染料敏化太阳能电池FeSe2/Fe对电极。
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CN106057476A (zh) 2016-10-26

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