[发明专利]基于硫化镍纳米片的染料敏化太阳能电池对电极制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新能源材料和太阳能电池技术，尤其是一种基于硫化镍纳米片的染料敏化太阳能电池对电极制备方法。

背景技术

目前，染料敏化太阳能电池由瑞士联邦工学院的Graetzel教授发明，其主要优点有成本低廉，制作工艺简单，效率较高，是极具使用价值的太阳能电池，也极有希望取代晶体硅太阳能电池获得大规模使用。

染料敏化太阳能电池主要由三部分组成，即：1. 光阳极，通常是吸附有染料的纳米晶二氧化钛薄膜；2. 对电极，通常是载铂的导电玻璃；3. 电解质，通常包含I₃^-/I^-氧化还原电对。其光电转换原理为：1. 纳米晶二氧化钛薄膜吸附的染料分子吸收太阳光，产生光生电子和染料正离子；2. 光生电子会快速地将电子注入到二氧化钛的导带中，并通过二氧化钛的多孔结构达到导电基底，然后流经外电路到达对电极；3. 在对电极上，I₃^-被流经外电路的电子还原为I^-，在二氧化钛多孔膜中，染料正离子被I^-还原，实现染料的再生，完成整个电路循环。由此可见，对电极在染料敏化太阳能电池中起到了极其重要的作用：1. 收集和输运电子；2. 吸附并催化I₃^-还原。

目前广泛使用的对电极是载铂催化剂的导电玻璃。但是作为基底材料的导电玻璃和作为催化剂的 Pt价格十分昂贵，是限制染料敏化太阳能电池大规模商业化的瓶颈。因此，低成本的对电极材料成为近年来科学界和工业界的一个重要研究热点。近年来，各种替代铂的材料，如碳材料、导电聚合物、硫化物、氮化物、氧化物及其它们的复合材料。相关内容的中国专利例如CN 200610114581.7，CN 201110004929.8，CN 201010131086.3，CN 201110449252.9，CN 200410037799.8，CN 201210456140.0等等，尽管这些对电极材料及制备技术各不相同，但它们绝大多数都依赖于导电玻璃。而导电玻璃是染料敏化太阳能电池中最贵的部分，所占成本的份额约为60%。因此，取代导电玻璃也成了发展低成本对电极的迫切需求。例如文献Chemical Communication, 2010, 46, 4505-4507，Chemical Communication, 2012, 48, 9714-9716，Journal of Materials Chemistry, 2012, 22, 4009-4014, Journal of Materials Chemistry A, 2013,1, 194-198报道了不同的低成本对电极，可以同时取代铂和导电玻璃。但这些方法工艺操作相对复杂，在一定程度上限制了其大规模化生产。发展原材料便宜、工艺简单快速的低成本对电极，对规模化太阳能电池的生产和使用都将起到极大的促进作用。

硫化镍是一种重要的多功能材料，广泛应用于电子、能源、催化等领域。尽管多种纳米结构已制备，但非层状硫化镍纳米片的合成仍然是巨大挑战。目前合成的纳米片多以层状晶体结构为主，例如BN，MoS₂，Co(OH)₂等。而对于非层状材料，通常缺乏本征的驱动力形成二维结构。例如中国专利申请201110122544.1公开了一种固液相反应合成硫化镍纳米棒的方法，形成纳米棒的主要原因是六方晶体结构。由于硫化镍是非层状结构，通常缺乏形成纳米片的驱动力，所以一般很难制备硫化镍纳米片。

据检索文献所知，仅有下面两个方法间接制得硫化镍纳米片。方法1，Qin Pan等（Qin Pan, etc ac. Rsc. Adv., 2013, 3, 3899-3906）以石墨烯为模板，采用水热法制备了石墨烯和硫化镍纳米片复合材料。但如果没有石墨烯，得到的是硫化镍纳米棒。方法2，Ting Zhu等（Ting Zhu, etc ac. Adv. Energy Mater. 2012, 2, 1497-1502）以多步转换的高温热解方法，制备了Ni₃S₂纳米片和碳纳米管复合材料。上述制备方法工艺步骤复杂，难以大规模化生产。目前，直接合成二维硫化镍纳米结构还未见相关报道。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于硫化镍纳米片的染料敏化太阳能电池对电极制备方法，该方法的工艺过程简单，制备参数易控，重复性好，可以大规模工业化生产。