染料敏化太阳能电池用复合电极及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种染料敏化太阳能电池用复合电极及其制备方法，该方法制备的复合电极可以用于染料敏化太阳能电池的光阳极和阴极，属于染料敏化太阳能电池技术领域。
【背景技术】
[0002]在能源危机日益严重的今天，对太阳能等可持续能源的利用对人类的可持续发展具有重要的意义。染料敏化太阳能电池(Dye Sensitized Solar Cell，DSSC)是自上世纪90年代基于纳米技术发展起来的一种新型的太阳电池，因原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单而被誉为最有商业应用前景的太阳电池之一。染料敏化太阳能电池主要包括由透明导电基底和氧化钛纳米晶薄膜组成的光阳极、染料敏化分子、电解质以及对电极。染料敏化太阳能电池的工作机理是染料敏化分子吸收光产生光生电子并且快速的注入到二氧化钛多孔薄膜中，染料自身变成氧化态，二氧化钛里的电子迅速扩散到导电玻璃上，然后通过外电路载荷传递到对电极上；同时二氧化钛的染料可以电解质中的I3还原，13氧化为I扩散至对电极，被到达对电极上的电子还原为I3，完成一个回路。因此在染料和电解液确定的情况下，如何有效的优化光阳极和对电极对提高染料敏化太阳能的效率有重要的作用。
[0003]目前在优化光阳极的方法之一是在浆料中加入少量贵金属纳米颗粒，纳米金属颗粒具有储存电荷的功能，可以使邻近的二氧化钛半导体费米能级上移，有利于减少半导体/电解质的界面复合。此外，金属颗粒和染料之间的表面等离子体共振作用可以增加染料对光的吸收，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率。但是这种方法合成过程十分复杂，而且在烧结过程容易团聚，影响总体效果。
[0004]对于提高对电极的催化性能研究中，人们发现Pt还是目前应用最多、稳定性最好，电催化性能较高的材料。但是如何进一步增加Pt的附着位点和催化面积，是提高对电极催化活性中需要应对的难题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的之一在于针对现有技术的不足，提供一种染料敏化太阳能电池用复合电极。
[0006]本发明的目的之二在于提供该复合电极的制备方法，该方法在常温条件下在纳米多孔薄膜上直接电沉积出金、银等金属纳米晶，形成贵金属纳米晶镶嵌在纳米多孔薄膜中的复合电极的方法。
[0007]贵金属的嵌入能够调整二氧化钛等金属氧化物的的导带位置，使之负移，可以有效抑制了电子-空穴对的复合，而且能够利用通过金纳米晶的表面等离子体共振(SPR)效应增强染料对光的吸收，提高对光的利用率，从而提高染料敏化太阳能电池的光电转化效率，避免了传统方法中高温烧结造成的金属纳米颗粒团聚的影响，可以成功的作为染料敏化太阳能电池的光电极。另外，在纳米多孔薄膜上电沉积铀纳米晶，形成贵金属纳米晶纳米多孔复合结构也可以作为染料敏化太阳能电池的的对电极，大大增加了其表面的粗糙度，增加Pt的附着位点和催化面积，进而提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
[0008]本发明为实现上述目的而采用的技术方案如下：
一种染料敏化太阳能电池用复合电极，其特征在于该复合电极是在无序纳米介孔薄膜的表面沉积出贵金属纳米晶，该无序纳米介孔薄膜与贵金属纳米晶的质量比为： 。
[0009]上述的无序纳米介孔薄膜的孔径为6?50nm。
[0010]上述的无序纳米介孔薄膜的材料是由Ti02、ZnO和Sn02中的至少一种；或者是F、W、N、Nb元素掺杂的Ti02、ZnO或Sn02*的至少一种。
[0011]上述的纳米颗粒的粒径范围为15?30nm。
[0012]上述的贵金属纳米晶为Au、Pt和Ag中的两种或两种以上。
[0013]上述的贵金属纳米晶粒径范围为1?20nm。
[0014]—种制备上述的染料敏化太阳能电池用复合电极的方法，其特征在于该方法的具体步骤为：
a.将无机酸和贵金属盐溶于水中，其中无机酸的浓度为0.5?5mM,贵金属盐的浓度为1?10mM ；
b.以步骤a所得的水溶液为电沉积液，所用体系为三电极体系，其中负载无序纳米介孔薄膜的导电玻璃为工作电极、Pt对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用波形为矩形波的脉冲电流，其中所述电流密度范围为20?1000 mA/cm2，沉积时间为0. 001?0. 3秒，间歇时间范围为1?14秒；随后分别用水和乙醇清洗，干燥，即得到染料敏化太阳能电池用复合电极。
[0015]8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的无机酸为盐酸、无机酸或者硝酸。
[0016]上述的金属盐为氯化物、硝酸盐或有机金属盐。
[0017]本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明制备的金或银贵金属纳米晶在无序纳米介孔薄膜中均匀镶嵌的复合电极应用在染料敏化太阳能电池光阳极，不仅可以有效的抑制电子的复合而且可以提高染料对光的吸收，从而提高电池的开路电压以及短路电流以提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率;
2、本发明制备的铀贵金属纳米晶在无序纳米介孔薄膜中均勾镶嵌的复合电极应用在染料敏化太阳能电池对电极，大大增加了其表面的粗糙度，增加Pt的附着位点和催化面积，进而提高了染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
[0018]3、本发明工艺简单，反应条件温和，不需要昂贵的设备和原料，有利于工业推广。
[0019]下面结合附图与【具体实施方式】，对本发明进一步说明。
【附图说明】
[0020]图1为本发明中的染料敏化太阳能电池复合光阳极的扫描电镜图和对应的mapping图，从图中可以看出，金纳米粒子镶嵌在二氧化钛多孔薄膜的表面和孔道中以及Ti、0、Au元素在复合光阳极上的元素分布。
[0021]图2为本发明中的金和二氧化钛复合光阳极和纯的二氧化钛分别组成染料敏化太阳能电池所对应的j-ν曲线，从图中可以看出，金和二氧化钛复合光阳极组成的电池的光电转化效率明显高于纯的二氧化钛组成的电池。
【具体实施方式】
[0022]实施例1:
染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，通过如下步骤实现：
(1)配制无机酸和氯金酸的水溶液，所述水溶液中硫酸的浓度为5mM，氯金酸溶液的浓度为1M。
[0023](2 )以步骤（1)制备的水溶液为电沉积液，所用体系为三电极体系，其中二氧化钛多孔薄膜为工作电极、Pt对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用波形为矩形波的脉冲电流，其中所述电流密度为200 mA/cm2,沉积时间为0. 1秒，间歇时间为3秒，周期数为1。随后分别用水和乙醇清洗，在真空下100°C干燥10小时。即得到金镶嵌在二氧化钛多孔薄膜中的复合电极。
[0024]经本发明所述利用电沉积法将金纳米晶沉积在二氧化钛无序介孔薄膜上形成的复合电极作为染料敏化太阳能电池的光阳极，将此电极与相同面积的铂对电极组装在一起，中间灌注电解液，即可得到染料敏化太阳能电池。
[0025]实施例2:
染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，其步骤与实施1基本相同，其不同之处在于：
(1)配制无机酸和氯金酸的水溶液，所述水溶液中硫酸的浓度为10mM，氯金酸溶液的浓度为1M。
[0026](2 )以步骤（1)制备的水溶液为电沉积液，所用体系为三电极体系，其中二氧化钛多孔薄膜为工作电极、Pt对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用波形为矩形波的脉冲电流，其中所述电流密度为500 mA/cm2,沉积时间为0. 01秒，间歇时间为3秒，沉积周期数为2。随后分别用水和乙醇清洗，在真空下100°C干燥10小时。即得到金镶嵌在二氧化钛多孔薄膜中的复合电极。
[0027]经本发明所述利用电沉积法将金纳米晶沉积在二氧化钛无序介孔薄膜上形成的复合电极作为染料敏化太阳能电池的光阳极，将此电极与相同面积的铂对电极组装在一起，中间灌注电解液，即可得到染料敏化太阳能电池。
[0028]实施例3:
染料敏化太阳能电池复合光阳极的制备方法，其步骤与实施1、2基本相同，其不同之处在于：
(1)配制无机酸和氯金酸的水溶液，所述水溶液中硫酸的浓度为10mM，氯金酸溶液的浓度为1M。
[0029](2 )以步骤（1)制备的水溶液为电沉积液，所用体系为三电极体系，其中二氧化钛多孔薄膜为工作电极、Pt对电极、Ag/AgCl为参比电极，采用波形为矩形波的脉冲电流，其中所述电流密度为300mA/cm2，沉积时间为0. 001秒，间歇时间为3秒，沉积周期数为1。随后分别用水和乙醇清洗，在真空下100°C干燥10小时。即得到金镶嵌在二氧化钛多孔薄膜中的复合电极。
[0030]经本发明所述利用电沉积法将金纳米晶沉积在二氧化钛无序介孔薄膜上形成的复合电极作为染料敏化太阳能电池的光阳极，将此电极与相同面积的铂对电极组装在一起，中间灌注电解