[发明专利]一种染料敏化太阳能电池用Cu2ZnSnS4/MWCNT纳米复合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Cu₂ZnSnS₄/MWCNT纳米复合对电极及其制备方法。 

背景技术

能源是国民经济发展的重要物质基础。现在的能源结构是以煤、石油、天然气为主的化石能源。随着经济的迅速发展，化石能源日益减少且不可再生。能源危机是我们面临的一个重大社会问题。在化石能源利用过程中，还会对环境、气候和人类健康产生许多负面影响。转变现有的能源结构，开发环境友好的可再生新能源材料已经迫在眉睫。资源最丰富且清洁无污染的太阳能得到了人们越来越多的关注。把太阳能直接转化成电能就是其中最重要的一种方式。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。传统的硅基太阳能电池在原材料加工时的高能耗使得电池的成本居高不下。而作为新一代的太阳能电池产品，染料敏化太阳能电池（DSSC）是一种新型绿色能源，据估算，产业化成本仅为硅太阳能电池的十分之一。DSSC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。 

目前DSSC距离产业化还有一定的距离，许多技术性问题还没有得到妥善解决。主要原因之一是由贵金属铂作为DSSC的对电极材料。铂具有优越的电催化性能和良好的导电性能，但在长期工作的过 程中会受到电解液的侵蚀而导致电池效率的降低，作为电极其稳定性有待进一步提高。而且，作为一种贵金属材料，铂的昂贵的价格不利于DSSC的大规模生产。寻求一种价格低廉且性能卓越的材料作对电极来代替铂是十分必要的。Cu₂ZnSnS₄四元硫族化合物具有良好的电催化能力，已经应用在DSSC作为对电极材料，但其导电性不甚理想，导致电池效率不高。MWCNT作为一维碳纳米材料具有卓越的导电性能。本发明在Cu₂ZnSnS₄中加入MWCNT，在保持对电极高效催化活性的同时提供对电极的导电性和稳定性。本发明以Cu₂ZnSnS₄和MWCNT为复合对电极，为DSSC对电极提供了一条低成本制备高性能DSSC的新方法。 

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种染料敏化太阳能电池用Cu₂ZnSnS₄/MWCNT纳米复合对电极及其制备方法。该方法准确控制Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒和MWCNT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有相互紧密相连的且多空的纳米颗粒和碳纳米管共同组成，这种独特的结构既有利于增加对电极和电解液的接触面积，提高对电极的催化性能，又在MWCNT的作用下提高了电极的导电性能。所制备的以Cu₂ZnSnS₄/MWCNT为对电极的DSSC，光电转化效率与传统铂基对电极电池相当，且电极稳定性高于铂对电极。这种对电极具有成本低，制备工艺简单，环境友好的优点，为DSSC的产业化发展迈出了坚实的一步。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：Cu₂ZnSnS₄四元硫 族化合物纳米材料的采用温和的热溶剂法合成，MWCNT采用氧化处理，提高其分散性；将制备的Cu₂ZnSnS₄和MWCNT溶解在去离子水中机械搅拌形成“墨水”，采用旋涂法在导电基体上沉积薄膜，经过真空干燥、退火制成对电极。包括以下步骤： 

Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒合成工艺： 

（1）将Cu₂SO₄、Zn(NO₃)₂和SnCl₄溶于去离子水中，机械搅拌10～30分钟混合均匀，加入乙二胺后继续搅拌10～20分钟，至溶液混合均匀； 

（2）将S粉溶解在联氨中，机械搅拌10分钟至混合均匀； 

（3）将上述（1）和（2）溶液混合，机械搅拌30分钟得到混合均匀的溶液； 

（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）将产物用去离子水和无水乙醇清洗，真空干燥后得到Cu₂ZnSnS₄纳米颗粒；