[发明专利]一种染料敏化太阳能电池用Cu3SnS4纳米材料对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米材料和太阳能电池，尤其是一种染料敏化太阳能电池用Cu₃SnS₄纳米材料对电极及其制备方法。

背景技术

能源危机和环境污染两大社会问题日趋严重，现有能源结构以不可再生的化石能源为主，能源结构的不合理，制约着社会经济的发展。转变能源结构，开发环境友好的可再生资源势在必行。资源丰富且清洁的太阳能有望缓解并解决这一问题，因此得到了人们的广泛关注，而太阳能直接转化成电能就是其中一个重要的研究方向。太阳能电池就是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。硅基太阳能电池在太阳能电池中发展中最为成熟，但硅原料在提纯中需要大量能耗，使得硅太阳能电池的成本居高不下。新一代的太阳能电池主要包括染料敏化太阳能电池和有机薄膜太阳能电池。染料敏化太阳能电池具有理论光电转换效率高、成本低、制备工艺简单、环境友好和多色透明等特点，有着巨大的市场应用前景，引起科学界的重点关注，成为当前光电转换材料领域的热点之一。染料敏化太阳能电池由附着染料的光阳极、电解液和载有催化剂的对电极三部分组成。

染料敏化太阳能电池目前尚未实现产业化，有许多技术问题需要解决和完善。关键问题之一就是电池通常用贵金属铂作为对电极材料。铂具有良好的导电性能和优越的电催化性能，是现在染料敏化太阳能电池最为常用的对电极材料。但铂对电极在长期工作的过程中会受到电解液的侵蚀而导致电池效率的降低。同时铂作为一种贵金属材料，昂贵的价格不利于染料敏化太阳能电池的产业化生产。寻求一种价格低廉且性能卓越的材料来代替铂对电极是十分必要的。Cu₃SnS₄三元硫族化合物具有良好的电催化能力和较好的导电性能，本发明以Cu₃SnS₄作对电极提供了一条低成本制备高性能染料敏化太阳能电池对电极的新途径。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种Cu₃SnS₄的合成及用作染料敏化太阳能电池对电极的制备方法。该方法准确控制Cu₃SnS₄纳米颗粒的尺寸、形貌，且制备的对电极催化层成膜均匀，与导电机体附着良好。该对电极的特征主要体现在对电极催化层结构，所述的对电极催化层由紧密相连的直径范围在150～250nm纳米颗粒组成，独特的多孔结构有利于增加对电极和电解液的接触面积，相应的电催化的位置大大增加，使对电极的催化性能得到了较大改善。组装的以Cu₃SnS₄为对电极的染料敏化太阳能电池，光电转化效率与铂对电极太阳能电池相当，Cu₃SnS₄对电极具有很强的抗电解液侵蚀能力，电池的稳定性得到了较大改善。本发明以Cu₃SnS₄代替贵金属铂，组装成新型的染料敏化太阳能电池。此太阳能电池具有制造成本低廉，制备工艺简单，环境友好等优点，可进行大规模生产。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种Cu₃SnS₄的合成及用作染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，Cu₃SnS₄纳米颗粒采用温和的热溶剂法合成，将制备的纳米颗粒均匀分布在离子水中形成“墨水”，涂覆在导电基体（FTO）上沉积薄膜，经过真空干燥、退火的步骤制成对电极。包括以下步骤：

Cu₃SnS₄纳米颗粒合成工艺：

（1）将Cu₂SO₄和SnCl₄溶于去离子水中，机械搅拌10分钟，加入乙二胺继续搅拌10分钟得到混合均匀的溶液；

（2）将S粉溶解在联氨中，机械搅拌10分钟混合均匀；

（3）将上述混合液（1）和（2）混合，机械搅拌30分钟；

（4）将上述混合溶液转移至水热反应釜，150～250℃下反应20～25小时；

（5）将反应所得到产物分别用去离子水和无水乙醇清洗，真空干燥后得到Cu₃SnS₄纳米颗粒；