[发明专利]一种C/Sb2S3复合薄膜对电极材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种C/Sb₂S₃复合薄膜对电极材料的制备方法，属于染料敏化太阳能电池对电极制备领域。

背景技术

染料敏化太阳能电池(DSSC)是自1991年瑞士科学家M.取得突破性进展以来发展起来的一种新型光伏发电器件(参见Nature杂志，1991年，第353卷，第737页)。这种新型的太阳能电池环境友好、制备工艺简单，特别是在低成本方面具有突出优势(参见J. Am.Chem.Soc.杂志，2011年，第133卷，第9304页)，成本估算表明只要电池的光电转换效率达到5％就具有应用价值。

作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分，对电极主要用来收集外电路的光生电子并实现电解质中三碘化物(I₃^-)的还原，所以导电性和电催化活性是影响对电极材料性能的关键因素。目前高性能的染料敏化太阳能电池主要采用镀贵金属Pt的导电玻璃作为对电极，但是高成本极大地限制了染料敏化太阳能电池大规模器件的研发和广泛应用。研发低成本、高效的非铂对电极一直是该领域的研究热点之一。2009年M.组将CoS应用于染料敏化太阳能电池对电极，并获得了与Pt对电极相当的性能(参见J.Am.Chem.Soc. 杂志，2009年，第131卷，第15976页)，自此，廉价的无Pt对电极材料吸引了研究者们浓厚的研究兴趣。近年来，无机金属化合物，包括金属碳化物、氮化物、氧化物、硫化物和硒化物等对电极材料的研究尤为活跃。金属锑的硫化物Sb₂S₃在对电极方面已显示出较好的电催化性能及应用前景(参见J.Phys.Chem.C杂志，2013年，第117卷，第10285页)，但是薄膜的导电性能较差限制了其催化性能的发挥，复杂的制备工艺也限制了其大规模的生产和应用。另一方面，基于碳材料(C)优异的导电性，近年来，碳纳米管、导电炭黑、活性炭和石墨广泛地被应用在染料敏化太阳能电池对电极中(参加J.Phys.Chem.C杂志， 2014年，第118卷，第16727页)。基于这一点，我们设计了C/Sb₂S₃复合材料，并通过简单的溶液和热蒸发方法制备C/Sb₂S₃复合薄膜，研究发现该复合薄膜具有优异的电催化性能，是一种廉价、高效的新型对电极材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型高效的染料敏化太阳能电池对电极材料C/Sb₂S₃复合薄膜及其制备方法，该材料在碘电解质中表现出优异的电催化性能，且制备工艺简单可控，有望取代贵金属Pt获得高性能染料敏化太阳能电池。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤一：将碳纳米粒子和羧甲基纤维羧钠分散至水中，均匀持续搅拌12-24h后得到碳纳米粒子溶胶。将溶胶旋涂至洁净的FTO表面，经过60～100℃真空干燥，得到C纳米粒子薄膜。

步骤二：在二甲基甲酰胺(DMF)中逐次加入一定量的三氯化锑(SbCl₃)和硫脲(Tu)，均匀持续搅拌一段时间后得到Sb-Tu前驱体溶液，将溶液旋涂至步骤一得到的C纳米粒子薄膜表面，然后将其放入气氛炉中在升温速率2～8℃/min、350～450℃下退火处理0.5～1小时，自然冷却后即得到C/Sb₂S₃复合薄膜。本步骤中，SbCl₃的浓度为1-2mM，硫脲的浓度为1-3mM，退火气氛为N₂气氛。

或者，步骤三：将Sb-Tu前驱体溶液的溶剂在空气中蒸干，然后置于气氛炉中400℃下退火处理0.5～1小时，得到Sb₂S₃粉体。将一定量的粉体置于刚玉舟中，C纳米粒子薄膜(导电面朝下)盖在刚玉舟之上，气氛保护下在升温速率2～8℃/min、350～550℃下恒温热蒸发 10min～1h，自然冷却后即得到C/Sb₂S₃复合薄膜。本步骤中，Sb₂S₃粉体的用量为50-100mg，退火气氛为N₂或Ar，管式炉升温速率2～8℃/min，热蒸发温度350～550℃，热蒸发时间 10min～1h。