[发明专利]一种用于量子点敏化太阳能电池的CuS对电极及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，也属于纳米材料领域，特别涉及一种用于量子点敏化太阳能电池的CuS对电极及其制备方法。

背景技术

由于煤、石油等化石能源的过度使用，由此引发的能源危机和环境污染成为目前人类社会亟待解决的两大难题。太阳能作为一种取之不尽，清洁无污染的绿色能源，是解决上述两个问题的重要对策。太阳能电池是一种将太阳能转换成电能的光电转换器件，具有十分广阔的应用前景。在各类新型太阳能电池中，量子点敏化太阳能电池因其制备工艺简单、成本低、理论转换效率高等优势吸引了众多研究者的广泛关注。

量子点敏化电池包括光阳极、电解液和对电极三部分，在太阳光的激发下，量子点中的电子快速注入相邻的TiO₂中，经过 TiO₂薄膜传到FTO基底，然后通过外电路流向对电极，而量子点中的空穴通过反应传输到多硫电解液中。外电路中的电子被对电极收集以后在对电极/电解液界面通过反应将电子传输到多硫电解液，使电解液中的氧化还原对再生。因此，对电极的作用是收集外电路的电子，并催化还原电解液中的氧化态物质。

为了提高量子点的稳定性，目前国际上通常采用多硫电解液(S^2–/S_n^2–)代替I^–/I^3–电解液作为量子点敏化电池中的空穴传导层，但是传统的Pt和Au等贵金属对电极对多硫电解液的催化活性很低，造成对电极/电解液界面的电荷转移电阻很大，这是导致量子点敏化电池的填充因子和光电转换效率偏低的一个重要原因，此外，Pt昂贵的价格增加了电池的生产成本。因此，开发新型高效和廉价的非Pt对电极一直是量子点敏化电池的研究热点。研究人员发现，过渡金属硫属化合物，如PbS、NiS、CoS、CuS、Cu₂S、CuSe、CuInS₂、Cu₂ZnSnS₄等作为对电极时对多硫电解液具有良好的催化活性，尤其以CuS和Cu₂S对电极的催化性能最为优异，研究和使用的也最多。目前，CuS和Cu₂S对电极的制备方法主要有金属箔片腐蚀法（J. Phys. Chem. Lett., 2011, 2, 2453）、丝网印刷法（Nano Energy, 2016, 23, 60）、逐层离子吸附与反应法（J. Phys. Chem. C, 2013, 117, 3739）、化学浴沉积法（Dalton Trans., 2015, 44,19330）以及溶剂/水热法（J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 9595），在上述方法中，金属箔片腐蚀法由于电解液会持续腐蚀箔片，制备的对电极存在稳定性差、不易封装的问题；丝网印刷法需要通过溶剂热法制备出金属硫化物纳米颗粒，形成浆料后涂覆到导电基底上，再高温烧结获得对电极，制备工艺十分复杂；逐层离子吸附与反应法无法在光滑的FTO表面制备对电极；化学浴沉积法耗时较长，制备的对电极结晶性差。相比以上各种方法，水热法具有操作简便、制备的对电极结晶性和均匀性好、成本低、环境友好等优势，是一种具有很大发展潜力的对电极制备方法，但是水热法通常耗时较长（一般要十几个小时以上）。因此，在该技术领域，提供一种更加快速有效、工艺简单的对电极制备方法，并稳定高效地应用于量子点敏化太阳能电池具有重要的意义。

发明内容

针对以上存在的问题，本发明提供了一种工艺简单、反应时间短、催化活性高、稳定性好的用于量子点敏化太阳能电池的CuS对电极及其制备方法。该对电极的特点在于采用微波辅助水热法在FTO基底上生长一层高效的CuS催化活性物质，与传统Pt对电极相比，大幅提高了量子点敏化电池的光电转换效率。同时制备过程简单快速，成本低廉，制备得到的CuS结晶性好，且与FTO基底的结合性好，易于封装。

本发明提供的CuS对电极，其结构是在FTO导电玻璃上生长一层CuS纳米片组成的多级结构催化层，CuS通过微波辅助水热法沉积到FTO上，CuS纳米片的直径可为150~800 nm，厚度可为20~50 nm，CuS多级结构催化层的厚度可为150~900 nm。

所述量子点敏化太阳能电池的CuS对电极的制备方法，通过下列步骤实现：

a）将FTO导电玻璃依次用洗涤剂、去离子水、无水乙醇和丙酮分别超声清洗15分钟，然后烘干备用。

b）将可溶性铜盐、EDTA-2Na和硫代乙酰胺分别溶于去离子水中，充分搅拌均匀形成前驱溶液。