专利名称：染料敏化太阳能电池用金属硒化物对电极及其制备方法
技术领域：
本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及ー种应用于染料敏化太阳能电池的金属硒化物对电极及其制备方法。
背景技术：
自从1991年M. Gratzel教授将纳米多孔的概念引入染料敏化宽禁带TiO2半导体研究中，获得能量转换效率7. I %的染料敏化太阳电池(dye-sensitized solar cells, DSSCs)以来(Nature, 1991，353，737)，DSSCs以其低成本、相对简单的制作エ艺、较高的光电转化效率等特点，迅速得到国际上的学术界以及エ业界广泛关注。DSSCs主要由染料敏化的多孔半导体纳米晶薄膜、电解质和对电极组成。染料分子受到光照后激发，电子注入半导体薄膜的导带，电子经外电路回到对电扱，I3-离子在对电极上得到电子生成r离子，r离子扩散到半导体薄膜上再还原氧化态染料，使染料再生，r离子反应后再生成i3_离子，如此循环，从而实现光电转换。在此过程中，减小由于上述还原反应在对电极上的能量消耗是十分必要的。因此，作为其中ー个重要组成部分，对电极的催化性能对DSSCs的光电转化效率有着重要的影响。钼对电极通常采用磁控溅射 (Electrochimi. Acta. , 2001, 46, 3457)、以及氯钼酸热分解(J. Electrochem. Soc., 1997，144，876)的方法制得，虽然有较好的催化表现和综合性能，但由于钼是贵金属，且制备方法耗能高，这些方法若用于大规模生产具有明显的局限性。因此开发新型非钼、廉价、且具有较高催化活性的对电极，是近年来DSSCs领域ー个研究热点。不少无机化合物具有耐腐蚀、导电性良好等特点，具有较好的电化学催化活性。近几年也有不少相关报道，如 CoS (J. Am. Chem. Soc. , 2009, 131，15976)，TiN (Chem. Comm. , 2009，47, 6720) ,MoC (Angew. Chem. Int. Ed. , 2011，50，3582)等，都获得了较高的光电转换效率，但这些方法大多需要繁琐的实验设备或高温烧结，制备条件较为苛刻，同样需要较高的生产成本，因此通过简单易行的方法制备高效对电极材料具有重要的实际应用价值。
发明内容
针对传统钼对电极成本高、耗能大等弊端，本发明的目的在于提出一种成本低、耗能小的染料敏化太阳能电池用对电极及其制备方法。本发明提供的染料敏化太阳能电池用对电极，其材料为金属硒化物。该金属硒化物的制备步骤为
(1)将金属盐和硒粉加入水热釜中，再加入水合肼溶液，最后加入适量水，使混合液体积达水热釜约3/4容量左右；
(2)充分搅拌均匀，然后在水热釜中放入一块经清洗的导电基底，水热釜封紧后进行水热反应；
(3 )反应结束后，水热釜自然冷却至室温，取出导电基底，淋洗干净，吹干。所得材料即可直接作为对电极应用于染料敏化太阳能电池。上述制备方法中，所述的金属盐为钴(Co)、镍(Ni)或铜(Cu)等金属的盐酸盐、こ 酸盐或硝酸盐等，金属离子与硒粉的摩尔比为1:0. Of 1:100，金属离子与水合肼的摩尔比为1:0.011:100 ;所述导电基底为导电玻璃或导电聚合物膜等材料；所述水热反应温度为 IOO0C 240°C，反应时间为2h 120h。按照本发明制备的对电极，能量转化效率超过热解钼对电扱，而本发明エ艺简単， Co、Ni等均为廉价金属,可大大降低对电极乃至DSSCs的制造成本,适于DSSCs的大规模生产。
图I为本发明实施例I和2中制备的Coa85Se和Nia85Se对电极的扫描电镜照片。图2为本发明实施例I和2中制备的Coa85Se和Nia85Se对电极与热解钼对电极组装的DSSCs比较测试的电流-电压曲线图(有效面积为0. 2304 cm2)。
具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明作进ー步详细说明。实施例1，将0. I mmol六水合氯化钴(CoCl2 6H20)和0. 15 mmol硒粉(纯度 99.999%)加入50 mL水热釜中，再加入7. 5 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入30 mL 去离子水，使混合液体积达水热釜约3/4容量。充分搅拌均匀后，在水热釜中放入一块彻底清洗的FTO导电玻璃，水热釜封紧后，120°C水热反应12 h。反应结束后水热釜自然冷却至室温，取出导电玻璃，淋洗干净后吹干。根据标准方法将该对电极组装成DSSCs，电池面积为0. 2304 cm2。在AML 5模拟太阳光下测得染料敏化太阳能电池的电流-电压(I-V)曲线(图2曲线I所示)，得到开路光电压(V0J为739 mV，短路光电流(/J为16. 98 mA/cm2，填充因子(/的为0. 75，能量转换效率(")为9. 40%o实施例2，将0.2 mmol六水合氯化镍(NiCl2 6H20)和0. 24 mmol硒粉(纯度 99.999%)加入50 mL水热釜中，再加入15 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入22. 5 mL去离子水，使混合液体积达水热釜约3/4容量。充分搅拌均匀后，在水热釜中放入ー块彻底清洗的FTO导电玻璃，水热釜封紧后，140°C水热反应10 h。反应结束后水热釜自然冷却至室温，取出导电玻璃，淋洗干净后吹干。根据标准方法将该对电极组装成DSSCs，电池面积为0. 2304 cm2。在AML 5模拟太阳光下测得染料敏化太阳能电池的I-V曲线(图2曲线2所示)，得到Voc为738 mV,Jsc 为 15.63 mA/cm2，户F 为 0.72，n 为 8.32%。实施例3，将 0.2 mmol CoCl2 .6H20 和 0. 4 mmol 硒粉(纯度 99. 999%)加入 50 mL 水热釜中，再加入20 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入17. 5 mL去离子水，使混合液体积达水热釜约3/4容量。充分搅拌均匀后，在水热釜中放入一块彻底清洗的FTO导电玻璃，水热釜封紧后，100°C水热反应24 h。反应结束后水热釜自然冷却至室温，取出导电玻璃，淋洗干净后吹干。根据标准方法将该对电极组装成DSSCs，电池面积为0. 2304 cm2。在AMl. 5模拟太阳光下测得染料敏化太阳能电池的I-V曲线，得到し为722 mV，Jsc为14.74 mA/cm2, FF 为 0. 74，为 7. 88 %。实施例4，将 0. 3 mmol NiCl2 6H20 和 0. 4 mmol 硒粉(纯度 99. 999%)加入 50 mL水热釜中，再加入30 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入7. 5 mL去离子水，使混合液体积达水热釜约3/4容量。充分搅拌均匀后，在水热釜中放入一块彻底清洗的FTO导电玻璃，水热釜封紧后，150°C水热反应6 h。反应结束后水热釜自然冷却至室温，取出导电玻璃，淋洗干净后吹干。根据标准方法将该对电极组装成DSSCs，电池面积为0. 2304 cm2。在AML 5模拟太阳光下测得染料敏化太阳能电池的I-V曲线，得到な为706 mV,Jsc为14. 77 mA/cm2,FF 为 0. 68，为 7. 09 %。实施例5，将0. I mmol无水氯化铜(CuCl2)和0. 15 mmol硒粉(纯度99. 999%) 加入50 mL水热釜中，再加入10 mL水合肼溶液(含量85wt%)，最后加入27. 5 mL去离子水，使混合液体积达水热釜约3/4容量。充分搅拌均匀后，在水热釜中放入一块彻底清洗的 FTO导电玻璃，水热釜封紧后，180°C水热反应12 h。反应结束后水热釜自然冷却至室温，取出导电玻璃，淋洗干净后吹干。根据标准方法将该对电极组装成DSSCs，电池面积为0. 2304 cm2。在AML 5模拟太阳光下测得染料敏化太阳能电池的I-V曲线，得到な为660 mV,Jsc为10. 81 mA/cm2,FF 为 0. 41，为 2. 93 %。比较例，作为比较，我们还在所有其他条件相同的情况下，采用热解钼对电极组装了 DSSC，在AM I. 5模拟太阳光下测得染料敏化太阳能电池的I-V曲线(图2曲线3所示)，得到匕，为 738 砂，Jsc 为 16.03 mA/cm2，/^* 0.74，为 8. 64 %。按照本发明实施例I制备的Coa85Se对电扱，能量转化效率超过了热解钼对电扱， 实施例2制备的Nia85Se对电极可获得与热解钼相当的光伏表现。本发明エ艺简単，Co、Ni 均为廉价金属，从而大大降低了对电极乃至DSSCs的制造成本，可应用于大規模DSSCs的生产。
权利要求
1.ー种染料敏化太阳能电池用的属硒化物对电极的制备方法，其特征在于具体步骤为(1)将金属盐和硒粉加入水热釜中，再加入水合肼溶液，最后加入适量水；(2)充分搅拌均匀，然后在水热釜中放入经清洗的导电基底，水热釜封紧后进行水热反(3)反应结束后，水热釜自然冷却至室温，取出导电基底，淋洗干净，吹干；其中，所述的金属盐为钴、镍或铜金属的盐酸盐、こ酸盐或硝酸盐，金属离子与硒粉的摩尔比为1:0. Of 1:100，金属离子与水合肼的摩尔比为1:0. Of 1:100 ;所述导电基底为导电玻璃或导电聚合物膜等材料；所述水热反应温度为100°C 240°C，反应时间为2tTl20h。
2.如权利要求I所述方法制备的应用于染料敏化太阳能电池的金属硒化物对电极材料。
全文摘要
本发明属于太阳能电池技术领域，具体为一种染料敏化太阳能电池用的金属硒化物对电极及其制备方法。本发明通过一步水热合成的方法制备金属硒化物，并原位生长在导电基底上，不需其他任何后处理，直接应用于染料敏化太阳能电池，可以获得比热解铂对电极更佳的能量转化效率。本发明工艺简单，所制备的非铂对电极不仅催化活性高，且价格低廉，大大降低了对电极的成本，进而降低了染料敏化太阳电池的综合成本，可应用于大规模染料敏化太阳能电池的工业生产。
文档编号H01L51/44GK102610392SQ20121007595
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者宫峰, 王忠胜 申请人:复旦大学