CN111180213B - 基于三磷化钴二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用 - Google Patents

基于三磷化钴二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种基于CoP3二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用，属于太阳能电池技术领域，将染料敏化后的TiO2光阳极和CoP3对电极组装成具有三明治结构的电池，用注射器将电解质注入隔膜，之后进行封装、即得。本发明采用原位水热法和真空密封退火法在碳纸上制备一薄层CoP3纳米线作为DSSCs对电极，并组装成DSSC，在100 mW·cm−2模拟太阳光辐照下，DSSC的光电转换效率达到6.84%，不仅获得基于铂（Pt）对电极DSSCs的优越性能，还极大地降低了DSSCs成本。

Description

基于三磷化钴二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用
技术领域
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种基于三磷化钴二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
背景技术
太阳能电池开发研究已经成为全球关注的热点，太阳能利用势必成为人类生存的必备能源。而太阳能电池的研制就是太阳能这一清洁能源最有效的利用途径。染料敏化太阳能电池（DSSCs）因其制备工艺简单、成本低廉、光电转换效率高、环境友好等优点也必然成为取代传统硅基太阳能电池的最佳选择之一。那么对电极作为DSSC关键部件，其成本高低和性能好坏是决定DSSCs商业化成本和竞争强弱的所在。
磷化物在电催化方面作为催化剂被广泛研究，并且表现出优越的性能，然而，在DSSC中却未见报道，因此，发明人设想将磷化物引入到DSSC中，作为非铂催化剂来替代成本高昂的Pt电极。基于上述考虑，本文采用原位水热法和真空密封退火法在碳纸上制备一薄层CoP3纳米线作为DSSCs对电极，并组装成DSSC，在100 mW·cm−2模拟太阳光辐照下，DSSC的光电转换效率达到6.84%，不仅获得基于铂（Pt）对电极DSSCs的优越性能，还极大地降低了DSSCs成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三磷化钴（CoP3）二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
基于CoP3二元对电极在染料敏化太阳能电池中的应用， 将染料敏化后的TiO2光阳极和CoP3对电极组装成具有三明治结构的电池，用注射器将电解质注入隔膜，之后进行封装、即得。
进一步地，CoP3对电极通过下述过程获得：将六水合硝酸钴0.582克、氟化铵0.186克、尿素0.6克加到50 ml的超纯水中充分搅拌至完全溶解，之后将上述溶液转移到100 ml装有碳纸的反应釜中，维持恒温120℃持续反应6h；待反应釜自然冷却，取出合成有钴基前驱体的碳纸，清洗，干燥，将合成有钴基前驱体的碳纸与2g红磷置于管式炉中，在氩气气氛中750℃维持300分钟，即得CoP3对电极。
进一步地，染料敏化后的TiO2光阳极通过下述方法获得：
(1) 配置0.04M的四氯化钛水溶液，冰箱保存待用；
(2) 用打孔器在透明胶带上打出一个圆孔，将带有圆孔的胶带粘到清洗洁净的导电玻璃上，采用刮涂法将粒径为20 nm的TiO2浆体均匀涂抹在导电玻璃圆孔处，待室温下晾干后，在马弗炉中450℃烧结30分钟；将得到的TiO2电极浸泡入0.04mM的四氯化钛水溶液，在烘箱中70℃加热30分钟后自然晾干，再在马弗炉450℃烧结30分钟；将退火后的TiO2电极浸泡在Z907染料中24小时，即得染料敏化的TiO2电极。
进一步地，电解质为含下述浓度物质的乙腈溶液：0.60 M四正丁基碘化铵、0.10 M碘化锂、0.05 M碘单质和0.50 M 4-特丁基吡啶。
本发明采用原位水热法和真空密封退火法在碳纸上制备一薄层CoP3纳米线作为DSSCs对电极，并组装成DSSC，在100 mW·cm−2模拟太阳光辐照下，DSSC的光电转换效率达到6.84%，不仅获得基于铂（Pt）对电极DSSCs的优越性能，还极大地降低了DSSCs成本。
附图说明
图1为CoP3的SEM图；
图2为CoP3的XRD光谱图；
图3为 CoP3和Pt 对电极的循环伏安图；
图4 为DSSC基于CoP3和Pt 对电极的J-V 曲线图。
具体实施方式
以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明，但不作为对本发明保护范围的限制。
实验仪器及药品
四氯化钛（分析纯，中国医药集团上海化学试剂公司），TiO2纳米浆体（20nm，武汉晶格太阳能科技有限公司），Z907染料（购买于Solaronix SA公司，瑞士），可控温磁力搅拌器（C–MAG HS4，德国IKA）；100 W氙灯（XQ–100 W，上海电光器件有限公司）；扫描电子显微镜（SEM）7006F（日本日立公司）；电化学分析仪/工作站CHI660E（上海辰华仪器有限公司）。
实施例1
1.玻璃基TiO2光阳极的制备
(1) 配置0.04M的四氯化钛水溶液，冰箱保存待用。
(2) 用打孔器在厚度约为50微米的透明胶带上打出一个直径为6mm的圆孔（圆孔面积为0.283cm2）将带有圆孔的胶带粘到清洗洁净的FTO玻璃上，采用刮涂法将粒径为20nm的TiO2浆体均匀涂抹在FTO圆孔处，使TiO2浆体层的厚度和透明胶带平齐，待室温下晾干后，在马弗炉中450℃烧结30分钟。将得到的TiO2电极浸泡入0.04mM的四氯化钛水溶液，在烘箱中70℃加热30分钟后自然晾干，再在马弗炉450℃烧结30分钟。将退火后的TiO2电极浸泡在Z907染料（将75mg染料溶于250ml无水乙醇中配制而成）溶液中24小时，即得染料敏化的TiO2电极（TiO2的厚度约等于透明胶带的厚度）。
2.碳基CoP3二元对电极制备和电池组装
通过水热法制备钴基前驱体。将六水合硝酸钴0.582克、氟化铵0.186克、尿素0.6克加到50 ml的超纯水中充分搅拌至完全溶解，之后将上述溶液转移到100 ml装有碳纸的反应釜中水热，维持恒温120℃持续反应6h。待反应釜自然冷却，取出合成有钴基前驱体的碳纸，用水和酒精冲洗数遍，在干燥箱中50℃干燥1h。将合成有钴基前驱体的碳纸与2g红磷置于管式炉中，在氩气气氛中750℃维持300分钟，即得CoP3对电极。
Pt对电极的制备：
1g氯铂酸溶解于500ml异丙醇中，将配好的氯铂酸溶液滴在FTO导电玻璃上，在450℃高温保温30分钟，即得。
将染料敏化后的TiO2光阳极和CoP3对电极或Pt对电极组装成具有“三明治”结构的电池，用注射器将电解质注入隔膜，之后进行封装、测试。电解质为0.60 M四正丁基碘化铵、0.10 M碘化锂、0.05 M碘单质和0.50 M 4-特丁基吡啶的乙腈溶液。
图1为CoP3 的SEM图。从SEM图中可以看出，CoP3呈纤维状分布。这种CoP3纤维的形成过程，是在水热过程中，以碳纤维为模板，CoP3颗粒均匀地长在碳纤维上面，形成规则的CoP3纤维。这种纤维状多孔结构的对电极具有更大的比表面积，更有利于吸附电解质，提供与TiO2光阳极更大的接触面积，从而有利于提高DSSCs的光电流和开路电压，进而提高DSSCs的光电转换效率。
图2为CoP3的XRD光谱图。从图中可以看出，CoP3为立方结构，其晶格常数a=b=c=7.702Å，其峰位置和卡片JCPDS no. 29-0496相对应。碳的峰位置和卡片JCPDS no. 26-1080相对应。图2充分说明了CoP3被成功制备。
图3为CoP3或Pt对电极为工作电极，Ag/Ag+为参比电极，在I–/I3 –电解质中扫描速度为60 mV·s–1的循环伏安曲线。从图3可以看出CoP3对电极具有和Pt电极相媲美的电化学催化性能。
表1基于CoP3和Pt 对电极的DSSC性能参数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
图4和表1比较的是在一个标准模拟太阳光强度（100 mW·cm−2，AM1.5G）下制备的基于CoP3和Pt对电极的DSSCs J-V曲线图。从图4和表1中可以看出，基于CoP3对电极制备的DSSC比Pt电极的开路电压和短路电流都高，虽然填充因子稍低于基于Pt电极制备的DSSC，但总的光电转换效率来说，基于CoP3对电极制备的DSSC转换效率稍高。相信通过后期优化，基于CoP3对电极制备的DSSC填充因子和电池转换效率一定会有更好的提升。

Claims (3)

1.基于CoP3/碳纸复合对电极在染料敏化太阳能电池中的应用，其特征在于， 将染料敏化后的TiO2光阳极和CoP3/碳纸复合对电极组装成具有三明治结构的电池，用注射器将电解质注入隔膜，之后进行封装、即得；其中，CoP3/碳纸复合对电极通过下述过程获得：将六水合硝酸钴0.582克、氟化铵0.186克、尿素0.6克加到50 ml的超纯水中充分搅拌至完全溶解得到混合溶液，之后将上述溶液转移到100 ml装有碳纸的反应釜中，维持恒温120℃持续反应6h；待反应釜自然冷却，取出合成有钴基前驱体的碳纸，清洗，干燥，将合成有钴基前驱体的碳纸与2g红磷置于管式炉中，在氩气气氛中750℃维持300分钟，即得CoP3/碳纸复合对电极。
2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，染料敏化后的TiO2光阳极通过下述方法获得：
(1) 配置0.04M的四氯化钛水溶液，冰箱保存待用；
(2) 用打孔器在透明胶带上打出一个圆孔，将带有圆孔的胶带粘到清洗洁净的导电玻璃上，采用刮涂法将粒径为20 nm的TiO2浆体均匀涂抹在导电玻璃圆孔处，待室温下晾干后，在马弗炉中450℃烧结30分钟；将得到的TiO2电极浸泡入0.04mM的四氯化钛水溶液，在烘箱中70℃加热30分钟后自然晾干，再在马弗炉450℃烧结30分钟；将退火后的TiO2电极浸泡在Z907染料中24小时，即得染料敏化的TiO2电极。
3.根据权利要求1所述的应用，其特征在于，电解质为含下述浓度物质的乙腈溶液：0.60 M四正丁基碘化铵、0.10 M碘化锂、0.05 M碘单质和0.50 M 4-特丁基吡啶。
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