[发明专利]用于染料敏化太阳能电池的复合结构对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于绿色可再生能源技术领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的高活性复合结构对电极及其制备方法。

背景技术

在环境问题与能源危机日益严重的今天，太阳能光伏技术是解决这些危机的有效、实用手段之一。其中，染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cells，DSCs)是一种新型的太阳能电池，以其高效廉价等优越性倍受各国科学家的青睐。

通常，DSCs由透明导电基板、半导体多孔纳米晶薄膜、电解质溶液以及铂对电极三部分构成。其中，对电极主要起到传输流经外电路的电子以完成回路，以及催化I₃^-还原为I^-的作用。目前，最常用的对电极材料为金属铂材料。与其它材料相比，铂电极催化性能良好，电导率高，化学稳定性好。

但是，通过常规方法制备的单层铂电极，由于其颗粒粒径较大造成表面积相对较小，而表面积的大小与电极的催化能力强弱直接相关。因此，制备具有较大表面积、优越催化活性的对电极材料，对减少对电极上的能量消耗与提高电池光电转换效率具有决定性意义，特别是对于大面积的染料敏化太阳能电池模块而言。

发明内容

针对已有技术的不足，本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的高催化活性复合结构对电极，其电化学比表面积大，催化活性与电化学稳定性优良，有利于进一步提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率与使用寿命。

本发明的另一目的在于提供该高活性复合结构对电极的制备方法。

本发明提供的用于染料敏化太阳能电池的复合结构对电极，该复合结构对电极为三层结构，自下而上依次由导电衬底、纳米晶金属氧化物连接层与超薄金属层组成。

所述导电衬底可为氟掺杂氧化锡导电玻璃(FTO)、铟掺杂氧化锡导电玻璃(ITO)、掺铝氧化锌导电玻璃(AZO)、铟掺杂氧化锡聚萘二甲酸乙二醇酯导电塑料薄膜(ITOPEN)、铟掺杂氧化锡聚聚对苯二甲酸乙二醇酯导电塑料薄膜(ITOPET)或者各种金属衬底。

所述连接层中的纳米晶金属氧化物可为氧化钛、氧化硅、氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化钒、氧化钨、氧化镍、氧化铝、氧化镁、稀土氧化物中的任意一种物质或者它们的组合，其厚度控制在10～100nm之间。所述的稀土氧化物可为氧化钪、氧化钇、氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化铒、氧化钐、氧化铕、氧化镝、氧化铽、氧化铥、氧化钆、氧化钬、氧化镱、氧化镥中的任意一种或它们的组合。

所述超薄金属层为纳米铂颗粒、纳米金颗粒、纳米钯颗粒、纳米铜颗粒中的任意一种物质或者它们的组合，其粒径控制在2～100nm之间，优值为2～50nm；其负载控制在1～50ug/cm²之间，优值为5～20ug/cm²。

本发明涉及的一种高催化活性复合结构对电极的制备方法为：在导电衬底的导电面上制备一层纳米晶金属氧化物作为连接层，再在该纳米晶金属氧化物连接层上制备一层超薄金属层；

上述纳米晶金属氧化物可利用以下方法来制备：刮涂法、喷涂法、丝网印刷法、电泳法、甩胶法、提拉法、电沉积法、电泳法、化学沉积法、热解法或者溅射法；

上述超薄金属层可利用以下方法来制备：电沉积法、电泳法、化学沉积法、热解法或者溅射法。

本发明的复合对电极有着明显减小的界面电荷传递电阻(R_ct)，大小约为常规的单层铂对电极的1/5左右。使用本发明的复合对电极组装的电池的光电转换效率高于常规的单层铂对电极组装的电池的光电转换效率。

该复合对电极与常规单层对电极相比，具有较高的电化学比表面积，良好的催化活性与电化学稳定性，且制备工艺简单，应用该复合对电极制备的染料敏化太阳能电池具有较高的填充因子与光电转换效率，尤其适用于大面积的染料敏化太阳能电池模块。

本发明所制备的复合对电极具有较高的电化学比表面积，良好的催化活性与电化学稳定性，可适用于染料敏化太阳能电池以及光触媒、废水处理、空气净化、尾气处理、杀菌等催化领域。

附图说明

图1是复合结构对电极的示意图。

图2是复合结构对电极的SEM显微形貌图。

图3是复合结构对电极的AFM显微形貌图。

图4是本发明复合结构对电极与常规单层铂对电极的交流阻抗测试曲线。

图5是使用本发明复合对电极和常规单层铂对电极组装的染料敏化太阳能电池的光电性能图。