一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，该复合结构对电极包括FTO或ITO衬底，及设置在FTO或ITO衬底上的对电极催化层；FTO或ITO衬底包括玻璃衬底，及设置在玻璃衬底上的FTO或ITO导电膜层；对电极催化层为过渡金属二元或三元化合物和碳材料或导电聚合物组成的复合层。该复合结构的对电极具有优良的电化学、催化和电化学稳定性能，能够取代贵金属Pt电极应用于染料敏化太阳能电池器件。构建对电极催化材料和对电极薄膜，成本低，操作简单，且与光阳极的制备工艺相容性强，具有应用推广价值。
【专利说明】一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极
【技术领域】
[0001]本实用新型属于绿色可再生清洁能源【技术领域】，具体涉及一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极。
【背景技术】
[0002]能源短缺和化石燃料使用带来的环境污染是人类社会面临的最大挑战。可再生能源(太阳能、风能、生物质能等)的开发和利用是解决这一问题的关键所在。太阳能作为资源最丰富的可再生能源，其独特的优势和巨大的开发利用潜能使得太阳能电池的开发和利用成为近年来十分重要的研究课题。
[0003]与硅基和薄膜太阳能电池相比，1991年瑞士科学家M.Gratze丨实用新型的新一代染料敏化太阳能电池(dye sensitized solar cell, DSSC),由于其制作成本低、工艺简单、原料丰富、环保、理论能量转换效率高、便于大面积制作、轻质、多彩、柔韧、透明等特点，更具商业开发价值，已经成为世界范围内研究的重点和热点。
[0004]传统的DSSC主要由纳米晶TiO2光阳极、对电极催化剂、敏化染料及电解质等构成。对电极催化剂的主要作用是:①作为电子接收器，从外电路收集电子作为高效的催化剂，还原电解液中的碘离子，促进敏化染料分子的再生。作为DSSC最重要的组成部件之一——对电极催化剂，以贵金属Pt电极为主。但是，贵金属Pt电极催化在DSSC中的使用面临严峻的挑战。主要表现为:(1)贵金属Pt价格高昂；(2)贵金属Pt在自然界中稀缺、储量有限；(3)贵金属Pt在世界范围内供给有限；(4)贵金属Pt在含有碘电对电解质的DSSC中容易被腐蚀。此外，随着Pt催化剂或电催化剂在化学和精细化工、燃料电池、有机物降解、电解、光电化学电池、污染控制等领域的大量需求，开发绿色环保、价格低廉、性能优异的代替贵金属Pt对电极材料，满足对Pt金属在不同催化领域的需求，成为电催化材料研究与开发的主要动力。
[0005]近年来，国内外不同的研究机构对DSSC对电极催化材料的研究与开发主要集中在:①非Pt对电极催化材料(如碳材料、导电聚合物等)；②类Pt对电极催化材料(如氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物等)；③复合对电极催化材料。碳材料的主要问题是与导电衬底的粘结性比较差。对电极膜太薄，催化活性不足；对电极膜太厚，不但器件体积笨重，且导电膜容易从导电衬底上脱落，影响电池的稳定性。此外，碳材料对于透明的、半透明的、多彩的DSSC而言，并不是理想的对电极材料。导电聚合物材料的热稳定性差，抗腐蚀能力差。对于已经开发的大多数类Pt对电极催化材料，光电转化效率都比较偏低，可重复性和稳定性欠佳，阻碍了这类催化材料在化学和电化学领域的进一步推广应用。
[0006]相比之下，复合对电极催化材料可以充分利用组成复合物材料各组份间的协同效应，使对电极催化剂的性能和电池的性能得到很大提高，保证了电极催化性能的稳定、可靠和实用。
[0007]因此，开发高性能、高效率、低成本、长期稳定性的可替代Pt电极(复合结构对电极)，是促进DSSC产业化进程的重要途径。实用新型内容
[0008]本实用新型的目的在于克服现有对电极的缺点和不足，提供一种可替代Pt金属的复合结构对电极。该对电极原材料丰富，制作成本低，且与光阳极的制备工艺相容性强，具有优良的电化学、催化和电化学稳定性能，能够取代贵金属Pt电极应用于染料敏化太阳能电池器件。
[0009]为了达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案来实现:
[0010]一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，该复合结构对电极包括FTO或ITO衬底，及设置在FTO或ITO衬底上的对电极催化层，所述FTO或ITO衬底包括玻璃衬底，及设置在玻璃衬底上的FTO或ITO导电膜层；所述对电极催化层为过渡金属二元或三元化合物层和碳材料或导电聚合物层组成的复合层。
[0011]进一步地，所述过渡金属二元或三元化合物层由过渡金属T1、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Sc、Y、Fe、Co、N1、Mn、Cu、Zn的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物、氮氧化物或碳氮化物对电极催化材料构成。
[0012]进一步地，所述碳材料为活性碳、炭黑、乙炔黑、导电碳、石墨、色素碳、碳纤维、碳纳米管、C60、C70或石墨烯。
[0013]进一步地，所述导电聚合物为聚3，4-乙撑二氧噻吩(PED0T)、聚苯乙烯硫酸钠盐(PSS)、聚噻吩衍生物(PProDOT，PProD0T_Et2)、聚吡咯(PPy)或苯胺(ANI)。
[0014]进一步地，所述对电极催化层其复合层结构由复合结构对电极催化材料构成，复合层结构对电极催化材料为介孔结构，孔径为3?10nm，比表面积为300?1000m2/g。
[0015]进一步地，所述对电极催化层的厚度为10?30 μ m。
[0016]进一步地，所述碳材料或导电聚合物层的厚度为5?10 μ m。
[0017]本实用新型所带来的技术效果是:
[0018]第一、本实用新型提供的可替代贵金属Pt电极的复合结构对电极催化材料作为DSSC对电极，原材料价格低廉，制作工艺简单，在相同的实验条件下，其光伏性能可与贵金属Pt电极相匹配。
[0019]第二、本实用新型提供的可替代贵金属Pt电极的复合结构对电极，能够有效解决贵金属Pt面临的困境，如价格高昂、资源短缺、匹配性差等。在保持器件较高光电能量转换效率(PCE)和电化学稳定性的基础上，能够大幅度降低DSSC对电极的成本，有助于促进DSSC的商业化推广应用。
[0020]第三、本实用新型提供的可替代贵金属Pt电极的复合结构对电极，充分利用了组成复合物各组份的协同效应，使复合结构对电极的性能优于单一结构对电极的性能，表现出更为出色的光伏性能。此外，这种复合物对电极电化学稳定性高，实用价值大。
[0021]第四、本实用新型提供的可替代贵金属Pt电极的复合结构对电极，其介孔结构有利于电子的传输和收集，方便反应物分子的传输，为离子的还原提供了更多的催化位点，有利于染料分子的再生和催化活性的改善和提高。
[0022]第五、本实用新型提供的可替代贵金属Pt电极的复合结构对电极，其优良的催化性能有望应用于燃料电池、生物传感器、制氢、能源存储、有机物降解及污染控制等领域。【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为本实用新型结构示意图；
[0024]图2为用本实用新型结构构建的电池器件示意图(圆圈所示为DSSC对电极催化层)；
[0025]图3为本实用新型对电极结构的SM图(氧化钽(白色)镶嵌介孔碳)；
[0026]图4为本实用新型对电极结构的SM图(碳化钽(白色)镶嵌介孔碳)；
[0027]图5为采用实施例1?2和对比例3?6对电极构建DSSC器件的光伏特性曲线。
[0028]图中:100、对电极；101、玻璃衬底；201、上玻璃衬底；102、FTO或ITO导电膜层；202、上FTO或ITO导电膜层；103、碳材料或导电聚合物层；104、过渡金属二元或三元化合物层；105、FT0或ITO衬底；106、对电极催化层；200、光阳极；203、染料敏化的TiO2层；204、光散射的打02层；301、电解液层;401、封装膜;111、入射光。
【具体实施方式】
[0029]为了详细说明本实用新型的技术内容和特征，下面结合实施例并配以附图对本实用新型作进一步的说明。
[0030]如图1所示，本实用新型为一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，该复合结构对电极100包括FTO或ITO衬底105，及设置在FTO或ITO衬底105上的对电极催化层106，FTO或ITO衬底105包括玻璃衬底101，及设置在玻璃衬底101上的FTO或ITO导电膜层102 ;所述对电极催化层106为过渡金属二元或三元化合物层104和碳材料或导电聚合物层103组成的复合层。
[0031]其中，过渡金属二元或三元化合物层104由早期过渡金属T1、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Sc、Y、Fe、Co、N1、Mn、Cu、Zn等的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物、氮氧化物或碳氮化物对电极催化材料构成。碳材料或导电聚合物层103由碳材料或导电聚合物对电极催化材料构成；碳材料为活性碳、炭黑、乙炔黑、导电碳、石墨、色素碳、碳纤维、碳纳米管、C60、C70或石墨烯；导电聚合物为聚3，4-乙撑二氧噻吩(PEDOT)、聚苯乙烯硫酸钠盐(PSS )、聚噻吩衍生物(PProDOT，PProDOT-Et2)、聚吡咯(PPy )或苯胺(ANI)。
[0032]本对电极结构的对电极催化层106其复合层结构由复合结构对电极催化材料构成，复合层结构对电极催化材料为介孔结构，孔径为3?10nm，比表面积为300?1000m2/g。
[0033]并且，本实用新型的对电极催化层106的厚度为10?30 μ m,碳材料或导电聚合物层103的厚度为5?10 μ m。
[0034]图2给出了利用本实用新型复合结构对电极构建的DSSC电池结构，电池包括对电极100、光阳极200、电解液层301及封装膜401 ;对电极100包括FTO或ITO衬底105 (玻璃衬底101和其上的FTO或ITO导电膜层102)，及设置在FTO或ITO衬底105上的对电极催化层106 (碳材料或导电聚合物层103和过渡金属二兀或三兀化合物层104);光阳极200包括上玻璃衬底201及设置在上玻璃衬底201内侧的上FTO或ITO导电膜层202，在上FTO或ITO导电膜层202下方依次设有染料敏化的TiO2层203和光散射的TiO2层204 ;在对电极100的对电极催化层106、光阳极200的染料敏化的TiO2层203和光散射的TiO2层204的周边设有封装膜401，将对电极100、光阳极200及电解液层301封装在一起；导电膜层102和导电膜层202通过引出电极与负载相连；入射光111自上层玻璃衬底201入射。[0035]采用本实用新型复合结构对电极100 (过渡金属中的两种，如氧化钽镶嵌介孔碳(图3)、碳化钽镶嵌介孔碳(图4)对电极催化构成，介孔结构，孔径为3~10nm，比表面积为300~1000m2/g)，光阳极200 (N719染料敏化的介孔TiO2 (P25，Degussa，德国)纳米粒薄膜)，使用含有碘离子电对(I3_/T)的电解液301 (0.6Μ碘化-1-丁基-3-甲基咪唑，0.06Μ碘化锂，0.03Μ碘，0.5Μ4-叔丁基吡唆，0.1M异硫氰酸胍，溶剂为乙腈)和封装膜401，根据标准方法将该对电极组装成标准的DSSC电池(M.Gratzel实用新型DSSC器件的结构示意图如所图2所示)，电池活性面积0.16cm2，在AMl.5模拟太阳光标准条件下进行封装测试，其光伏性能参数如表1所示，其电压-电流特性曲线如图5所示。
[0036]表1本实用新型不同材料构成光伏器件光电性能参数对比
[0037]
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【权利要求】
1.一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，该复合结构对电极包括FTO或ITO衬底(105)，及设置在FTO或ITO衬底(105)上的对电极催化层(106)，其特征在于:所述FTO或ITO衬底(105)包括玻璃衬底(101 )，及设置在玻璃衬底(101)上的FTO或ITO导电膜层(102);所述对电极催化层(106)为过渡金属二元或三元化合物层(104)和碳材料或导电聚合物层(103)组成的复合层。
2.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，其特征在于，所述过渡金属二元或三元化合物层(104)由过渡金属T1、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Sc、Y、Fe、Co、N1、Mn、Cu、Zn的氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、磷化物、硒化物、氮氧化物或碳氮化物对电极催化材料构成。
3.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，其特征在于，所述碳材料或导电聚合物层(103 )中碳材料为活性碳、炭黑、乙炔黑、导电碳、石墨、色素碳、碳纤维、碳纳米管、C60、C70或石墨烯。
4.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，其特征在于，所述碳材料或导电聚合物层(103)中导电聚合物为聚3，4_乙撑二氧噻吩(PED0T)、聚苯乙烯硫酸钠盐(PSS)、聚噻吩衍生物(PProDOT，PProD0T_Et2)、聚吡咯(PPy)或苯胺(ANI)。
5.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，其特征在于，所述对电极催化层(106)其复合层结构由对电极催化材料构成，复合层结构对电极催化材料为介孔结构，孔径为3?10nm，比表面积为300?1000m2/g。
6.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，其特征在于，所述对电极催化层(106)的厚度为10?30 μ m。
7.根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池复合结构对电极，其特征在于，所述碳材料或导电聚合物层(103)的厚度为5?10 μ m。
【文档编号】H01G9/042GK203377110SQ201320430262
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年7月18日 优先权日:2013年7月18日
【发明者】云斯宁, 杜婷婷 申请人:西安建筑科技大学