[发明专利]量子点敏化太阳能电池多孔纳米晶Cu2S对电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，介绍了一种用于量子点敏化太阳能电池的Cu₂S多孔纳米晶对电极的制备方法。

背景技术

随着不可再生能源的日益枯竭，能源消耗的持续增加，能源问题已经成为全人类生存与发展的严重挑战。寻找和有效利用新能源是人类进入21世纪必须解决的重大课题。太阳能作为一种清洁的、取之不尽的能源，是一种良好的选择。目前广泛应用的晶体硅太阳能电池技术已经发展成熟，获得了超过20％的能量转化效率，但是其成本较高，限制了它的推广。作为第三代太阳能电池的量子点敏化太阳能电池，由于量子点具有独特的量子限域效应和多激子激发效应，使得量子点敏化太阳能电池的理论转换效率高达44％。随着纳米技术的发展和趋向成熟，量子点敏化太阳能电池的性能得到迅速提高，另外考虑到与晶体硅太阳能电池相比较为低廉的成本，使得其具有良好的发展前景。

量子点敏化太阳能电池为层状结构，从外层的透明导电玻璃向内依次还有纳米晶多孔半导体薄膜及其吸附于半导体薄膜上的量子点敏化剂、电解质和对电极等几部分。这种太阳能电池是由有机染料敏化太阳能电池衍生而来，与之不同的是量子点敏化太阳能电池采用窄禁带宽度的量子点取代有机染料分子作为电子激发的敏化剂。与有机染料相比，量子点不仅具有多激子激发效应，而且还具有其它优点：(1)光谱吸收范围更广，其带隙可以根据其尺寸大小来调节；(2)具有比有机染料分子更大的消光系数和光化学稳定性；(3)具有大的固有偶极矩，利于激发态电子-空穴的分离。电池工作原理：在入射光子的作用下，量子点中的电子从价带跃迁到导带，激发态的电子快速注入到光阳极导带中，富集并通过外电路流向对电极，量子点中留下的空穴与电解质中的离子发生氧化还原反应，构成整个回路。

在量子点敏化电池中，对电极起到电荷传输，闭合回路的作用，对太阳能电池转换效率起到至关重要的作用。对敏化太阳能电池，采用催化活性很高的金属铂(Pt)电极作为对电极。但是在量子点敏化太阳能电池中，电解质为为多硫体系，在多硫电解质中Pt的催化性能较低，限制了电池性能的提高。1980年，Hodes等(HodesG，ManassenJ，CahenD.J.J.Am.Chem.Soc.，1980，127(3):544-549)提出CoS、NiS、Cu2S、PbS用作对电极应用于多硫电解质体系催化中，发现电池开路电压和短路电流均有明显提高，说明它们对多硫氧化还原对有优异的催化性能。此外，石墨烯作为近年来发展比较快速的材料体系，被研究较多。但是单一采用石墨烯无法获得良好的催化性能，必须与催化活性很好的材料复合。2011年，Radich等(RadichJ.G,DwyerR.,KamatP.V,J.Phys.Chem.Lett.,2011，2(19):2453-2460)将Cu₂S和氧化石墨烯复合物作为对电极用于CdS/CdSe量子点敏化电池中，获得了4.4％的转化效率以及75％的填充因子的量子点敏化太阳能电池。同年，孟庆波课题组(中国发明专利201110052121.7)提出了一种电化学沉积的方法制备硫化物对电极。2012年，Yang等(Yueyong Yang,Lifeng Zhu,Huicheng Sun,Xiaoming Huang.ACSAppl.Mater.Interfaces2012,4,6162-6168)以类似于制作TiO₂浆料的方法制备PbS/炭黑(carbonblack,CB)浆料然后涂覆在FTO玻璃上，烘干，制成PbS/CB对电极，获得了转换效率为3.91％的量子点敏化太阳能电池。2013年，Kalanur等(Shankara Sharanappa Kalanur,Sang Youn Chae,Oh Shim Joo.Electrochimica Acta103(2013)91–95)利用水热法制备了薄层Cu_1.8S/CuS附着在FTO玻璃上，作为CdS敏化TiO₂纳米晶太阳能电池的对电极，获得了1.66％的转化效率。

综合上述方法，Cu₂S具有较好的催化活性，适合于制备量子点敏化太阳能电池的对电极，通常采用铜箔制备的Cu₂S对电极表面为致密层型，比表面积小，因此催化位点偏低，限制了电池性能的提高。Cu₂S与石墨烯、炭黑等复合对电极，会存在颗粒与颗粒之间、颗粒与导电基体之间结合不够紧密，电荷损失较大等缺点。为解决这些问题，需要制备一种稳定性能好、催化性能高、比表面积大的对电极材料。

发明内容