[发明专利]用于染料敏化太阳能电池的对电极及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于染料敏化太阳能电池的对电极及其制备和应用。

背景技术

染料敏化电池(DSSCs)作为太阳能光电利用的一种电池，具有光电转换效率高、廉价、绿色无污染、环境友好及制备工艺简单等优点，具有很好的商业前景和科研价值。染料敏化电池主要由多孔薄膜光阳极、染料光敏化剂、电解液和对电极组成。其中，对电极作为电池的正极，完成电子的收集和输送，同时兼有吸附并催化I₃^-、反射透过光的作用，对电极的特性和在其表面发生的还原反应速率极大地影响着电池的性能和效率。为了减少能量损失，充分利用光阳极上染料所吸收的能量，提高电池的寿命，对电极必须要有高电催化活性、高比表面、低面电阻、高电子传导率以及高稳定性。

现有技术中，染料敏化电池的对电极是在FTO导电玻璃上沉积Pt而制成的。Pt是稀有的贵金属，不仅在地壳中存储量少、价格昂贵，而且容易受到液态电解质腐蚀，不利于染料敏化电池成本的降低和维持电池的稳定性。为增加DSSCs的市场竞争力，必须减少Pt在DSSCs对电极中的用量。因此，选用其它价格低廉的非Pt催化材料沉积在FTO的基底上制作成对电极，将会进一步降低DSSCs的成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于染料敏化太阳能电池的对电极及其制备和应用，旨在克服现有技术的不足，采用设有Pt/碳晶素镀层的FTO导电玻璃作为对电极，不仅降低了Pt的用量，而且碳晶素可以提高电荷传输效率和能量转换效率，可提高染料敏化太阳能电池的稳定性和市场竞争力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

用于染料敏化太阳能电池的对电极，通过下述方法获得：对作为基底的导电玻璃FTO进行清洗，以及将碳晶素在真空环境下进行石墨化处理，之后用氯铂酸溶液处理FTO，并在真空环境下在氯铂酸溶液处理后的FTO上蒸镀碳晶素。

其中，将碳晶素在真空环境下进行石墨化处理的步骤为：将碳晶素置于真空环境中，加热到800-1000℃后恒温加热2-3h，之后降至室温。

优选的，用氯铂酸溶液滴加至FTO导电面上并分布均匀，然后于400-500℃烧结15-20min，之后将FTO导电玻璃传入超高真空多功能制样系统中，加入表面石墨化处理的碳晶素来蒸镀碳晶素。

优选的，氯铂酸溶液的浓度为0.1-1.5mM，特别优选0.1mM。

优选的，蒸镀碳晶素的厚度为10-100nm，特别优选60nm。

具体的，用于染料敏化太阳能电池的对电极的制备步骤如下：

1）导电玻璃FTO的清洗：导电玻璃FTO厚2.2mm，其面积为10cm×10cm，切割面积大小为1.25cm×2cm；用超声清洗仪依次用10%的Decon 90溶液(英国迪康清洗液)、去离子水、丙酮、无水乙醇超声清洗15min，用高纯氮气吹干备用；

2）碳晶素的表面石墨化处理：取一定量的碳晶素放入坩埚中，放在真空炉中央，先抽真空10min抽走真空炉内的气体，使得真空炉达到真空环境，然后加热到800-1000℃后，恒温加热2-3小时，再降至室温，最后取出样品；

3）Pt/碳晶素对电极的制备：用等体积不同浓度的氯铂酸溶液处理FTO，马弗炉中，400℃烧结15min，之后将FTO导电玻璃传入超高真空多功能制样系统中，称取表面石墨化处理的碳晶素一定量，通过控制加入量来蒸镀不同厚度的碳晶素。

将所述的对电极在染料敏化太阳能电池中进行应用，以TiO₂为光阳极，选择商业化电解液或者乙腈电解液，与对电极组装成染料敏化太阳能电池。

其中，电池制备的步骤如下：

1）TiO₂光阳极制备：将FTO用30mM的TiCl₄于70℃处理30min，干燥后，置于马弗炉中450℃处理30min，自然冷却；将TiO₂胶体刮涂于TiCl₄处理后的FTO导电玻璃上，120℃烘烤20min，再重复刮涂一次，并在120℃烘烤20min；在马弗炉中，450℃烧结30min，自然冷却到70℃，将其置于浓度为3×10^-4 M 的N719的溶液中(乙腈︰叔丁醇=1︰1 体积百分比)。

2）电解液：可以选择商业化电解液或者乙腈电解液，所述的乙腈电解液含浓度为9mM LiI，1mM I₂，0.1M LiClO₄。