[发明专利]铜镉锗硫纳米晶、铜镉锗硫对电极及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及铜镉锗硫纳米晶、铜镉锗硫对电极及其制备方法与应用，属于太阳能电池领域。铜镉锗硫纳米晶其铜、镉、锗与硫的摩尔比为(2～2.2):(l～1.2):(1～1.2):(4～4.2)，铜镉锗硫对电极的制备是通过在导电衬底上涂覆铜镉锗硫纳米墨水来实现。本发明中铜镉锗硫纳米晶是通过低温液相法合成，具有正交晶系，是纤锌矿衍生的超晶胞结构，具有尺寸均一、结晶度高、单分散性良好等优点。用于染料敏化太阳能电池对电极催化剂时，对I₃^‑离子的还原表现出良好的催化活性。与现有技术相比，本发明工艺简单，所制备的铜镉锗硫对电极不仅催化效果优异，而且价格低廉，大大降低了染料敏化太阳能电池的生产成本，适合工业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及铜镉锗硫纳米晶、铜镉锗硫对电极及其制备方法与应用，属于太阳能电池领域。

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。当有机染料分子吸收太阳光后，电子从基态跃迁至激发态。这种处于激发态的电子不稳定，会以非常快的速率注入到较低能级的TiO₂导带中。注入导带中的电子被导电基底收集后，流经外电路，对负载做功，并最终流回到对电极；在对电极/电解液界面处发生氧化还原反应，将氧化态电解质还原成基态；基态电解质从对电极表面脱附并扩散至光阳极，进一步将失去电子的氧化态染料分子还原成基态，以便再次吸收光子，至此整个电路得到再生并完成一个光电化学反应的循环。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。当前广泛应用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。