[发明专利]一种染料敏化太阳能电池铜锰锗硫对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太阳能电池领域，尤其是涉及一种染料敏化太阳能电池铜锰锗硫对电极及其制备方法。

背景技术

近年来，随着能源问题的日益严峻，作为第三代太阳能电池技术之一的染料敏化太阳能电池因具有组装简单、成本较低等优势以及较高的能量转换效率等优势，引起了科研工作者广泛的关注。典型的染料敏化太阳能电池具有“三明治”结构，即由光阳极，电解质和对电极组成。这类器件的工作原理与自然界的光合作用相似。在光照下，染料分子吸收太阳光从基态变为激发态，然而激发态不稳定，通过释放出电子回到基态。释放出的电子通过二氧化钛的导带并被导电基地收集，传输到外电路并对负载做功。在对电极/电解液界面处发生催化还原反应，将氧化态的电解质还原成中性态，而基态的电解质进一步扩散至光阳极并将氧化态的染料分子还原，从而完成一个循环。由此看出，对电极是染料敏化太阳能电池中的重要组成成分，它不仅是外电路电子流通的媒介，更重要的作用在于将氧化态的电解质还原成基态，保证染料分子的再生。理想的对电极材料应具备以下条件：(1)具有高的电子催化活性，利于催化I₃^-离子还原成I^-；(2)电子转移的阻力小；(3)在电解质的环境下，具有良好的电化学稳定性。当前广泛用于的对电极是表面镀有一层铂的导电玻璃，而由于铂金属的成本、丰度及长期稳定性等因素的影响，限制了大规模的工业化应用。因此，取代贵金属铂在染料敏化太阳能电池领域的应用成为一项重要的工作。

截止目前，研究人员制备了一系列的非铂对电极材料，如碳材料(Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,3996；Energy Environ.Sci.2009,2,426)，有机聚合物(J.Mater.Chem.2012,22,21624)，氧化物(Chem.Commun.2013,49,5945；ChemSusChem2014,7,442)，氮化物(ChemSusChem 2013,6,261)及金属硫属化合物(J.Am.Chem.Soc.2012,134,10953；Angew.Chem.Int.Ed.2013,52,6694)等。常用的制备方法包括刮涂(Chem.Eur.J.2015,doi:10.1002/chem.201406124)，原位生长(Chem.Commun.2014,50,4824；Chem.Commun.2015,51,1846)，电化学沉积(Chem.Eur.J.2014,20,474)和滴涂(Chem.Eur.J.2013,19,10107)等。

中国专利CN 104835649A公布了一种染料敏化太阳能电池硫化银对电极的制备方法，包括：制备硫化银纳米晶；将硫化银纳米晶溶于溶剂中，经超声分散处理得到硫化银纳米晶墨水；将硫化银纳米晶墨水涂覆于基底上，对基底进行热处理，制得染料敏化太阳能电池硫化银对电极。然而，这些常见二元半导体数量有限，而且性质参数都是固定的，往往不能满足染料敏化太阳能电池理想对电极材料的要求。例如，Ag₂S、CoS、NiS等半导体的带边位置是确定的，因而其导电性以及材料表面的物理化学性质也随着固定，因而难以进一步提升其对I₃^-电对的电催化活性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种性能优异、制备简单、适合大规模工业化生产的染料敏化太阳能电池铜锰锗硫对电极及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种染料敏化太阳能电池铜锰锗硫对电极，包括导电基底，导电基底表面涂覆有一层纤锌矿结构的铜锰锗硫纳米晶。

所述的铜锰锗硫纳米晶的粒径为10～100nm，铜锰锗硫纳米晶层的厚度为0.01～10μm。

所述的导电基底包括FTO、ITO、不锈钢、柔性导电高分子或石墨。

所述的纤锌矿结构的铜锰锗硫纳米晶的制备方法包括以下步骤：

(1)将铜盐、锰盐、锗源、表面活性剂和溶剂混合，抽真空除水除氧，磁力搅拌，加热到60～120℃并维持0.5～3小时使反应物充分溶解，然后将整个反应体系通入保护气；

(2)将上述反应体系加热到130～160℃，迅速注入硫源，之后进一步将体系加热到200～280℃，并保持0.5～6小时；

(3)待反应结束，自然冷却至室温，加入破乳剂后进行固液分离操作，得到的沉淀即为铜锰锗硫纳米晶。

所述的步骤(1)中的加热温度为100℃；