用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极及其制备方法，包括ZnO纳米棒阵列和在ZnO纳米棒表面沉积的CoS或CuS纳米颗粒。本发明专利技术中高度有序排列的ZnO纳米棒具有高的电导率，有利于将外电路中的电子快速传输到具有高催化活性的CoS、CuS位置，促进对电极与电解液之间的电子传输。本发明专利技术复合纳米结构对电极通过全溶液法制备而成，工艺简单、成本低廉、性能优异，作为QDSSC的对电极，在相同的实验条件下，ZnO/CuS和ZnO/CoS对电极组装的电池的光电转换效率分别比传统Pt对电极组装的电池的光电转换效率提高了141％和86％。

【技术实现步骤摘要】
用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极及制备方法
本专利技术属于太阳能利用领域，也属于纳米材料领域，具体涉及一种用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合结构对电极及其制备方法。
技术介绍
面对化石能源的日渐枯竭及其使用过程中带来的严重环境污染，取之不尽用之不竭的太阳能成为解决这个问题的重要对策。在各类新型太阳能电池中，制备工艺简单、成本低廉的量子点敏化太阳能电池(QDSSC)引起了研究人员的广泛关注。与染料敏化剂相比，量子点具有可调的能带结构，较高的消光系数，较大的固有偶极矩和多激子再生效应等独特的优点(A.Kongkanand,etal.,J.Am.Chem.Soc.,130(2008),4007)。因此，研究QDSSC对开发低成本、高效率的太阳能电池具有非常重要的意义。QDSSC主要由吸附量子点的光阳极、电解液和对电极三部分组成，其中对电极的作用是将外电路的电子传递给电解液使其还原再生。此外，对电极还能加速电解液中氧化还原对与阴极之间的电子交换速率，起到催化作用。染料敏化电池中常用的Pt对电极不但成本高，而且多硫电解液中的S2-很容易吸附到Pt表面，产生毒化效应，降低Pt对电解液的催化性能(J.G.Radich,etal.,J.Phys.Chem.Lett.,2(2011),2453)，从而严重影响电池的填充因子，这也是造成QDSSC光电转换效率偏低的一个重要原因，所以，Pt并不是适用于QDSSC的最优对电极材料。为了提高对电极/电解液界面的电子传输速率，多种材料被尝试作为对电极用于QDSSC中，比如CuS(A.D.Savariraj,etal.,Electrochim.Acta,149(2014),364)、PbS(Tachan.Z,etal.,J.Phys.Chem.C,115(2011),6162)、CoS(Yuan.H,etal.,J.Electrochem.Soc.,160(2013),H624)等，这几种对电极材料虽然克服了成本和活性两方面的问题，但是目前金属硫化物对电极绝大部分都是通过腐蚀金属箔片获得，不但难以封装，而且封装成电池以后电解液会持续不断地腐蚀金属箔片，造成电池的稳定性很差，很难达到实用化目的。本专利技术中的复合纳米结构对电极结合了两种纳米材料的优势，是QDSSC未来对电极材料的发展趋势，目前已有文章报道了CuS-C(L.Li,etal.,J.Phys.Chem.C,118(2014),16526)和ITO/CuS(Y.Jiang,etal.,NanoLett.,14(2014),365)核壳阵列等具有高比表面积和电导率的纳米复合材料对电极，获得了令人鼓舞的研究结果。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全溶液法制备的纳米复合材料对电极，将具有高导电性和较大比表面积的ZnO纳米棒阵列与具有高催化活性的CoS、CuS催化剂相结合，通过发挥二者的协同优势，形成一种高性能、低成本的复合纳米结构对电极，以解决现有的QDSSC对电极成本高、催化性能低、稳定性差的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极包括ZnO纳米棒阵列和在ZnO纳米棒阵列表面沉积的金属硫化物纳米颗粒。优选地，所述金属硫化物纳米颗粒包括CoS纳米颗粒。优选地，所述金属硫化物纳米颗粒包括CuS纳米颗粒。优选地，所述ZnO纳米棒阵列的制备方法包括以下步骤：(1)ZnO籽晶层的制备以醋酸锌为ZnO的前躯体，以乙二醇甲醚为溶剂，以单乙醇胺为稳定剂，三者混合后在60℃下搅拌反应30分钟，随后在恒温下陈化24小时形成均匀的ZnO前躯体溶胶，然后将其旋涂于清洗干净的导电玻璃基底表面，放入马弗炉中，在200℃下热处理15分钟以固化薄膜，重复上述旋涂和热处理过程2～5次，最后放入马弗炉中，在350℃退火1小时形成ZnO籽晶层；(2)ZnO纳米棒阵列的生长采用低温化学浴沉积法制备ZnO纳米棒阵列，生长溶液为等体积的硝酸锌水溶液和氢氧化钠水溶液的混合液，混合液搅拌1小时后，将制备好的ZnO籽晶层基底正面斜朝下悬浮于生长溶液中，然后将盛有生长液的烧杯置于恒温水浴锅中，83℃水浴中生长30～60分钟即形成ZnO纳米棒阵列，取出后用去离子水和乙醇冲洗干净，置于200℃的马弗炉中干燥，备用。优选地，步骤(1)所述的醋酸锌溶液的浓度为0.1～0.8mol/L，醋酸锌和单乙醇胺的摩尔比为1:1；步骤(2)所述的ZnO生长液中硝酸锌溶液的浓度为0.08mol/L，氢氧化钠溶液的浓度为1.8mol/L，制备的ZnO纳米棒的直径为80～150nm，长度为1～3μm。优选地，所述的导电玻璃基底为FTO玻璃或ITO玻璃，旋涂ZnO溶胶时的转速为3000～4000转/分钟、时间为30秒。本专利技术还提供用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极的制备方法，包括以下步骤：采用逐层离子吸附与反应法在ZnO纳米棒表面沉积CoS纳米颗粒，将制备好的ZnO纳米棒阵列浸入乙酸钴水溶液中1分钟，使Co2+吸附在ZnO表面，然后用去离子水冲洗；再将其置于硫化钠水溶液中1分钟，使Co2+与S2-反应形成的CoS纳米颗粒吸附在ZnO表面，再次用去离子水冲洗；以上过程为一次SILAR循环。优选地，采用逐层离子吸附与反应法在ZnO纳米棒表面沉积CuS纳米颗粒，将制备好的ZnO纳米棒阵列浸入乙酸铜水溶液中1分钟，使Cu2+吸附在ZnO表面，然后用去离子水冲洗；再将其置于硫化钠水溶液中1分钟，使Cu2+与S2-反应形成的CuS纳米颗粒吸附在ZnO表面，再次用去离子水冲洗；以上过程为一次SILAR循环。优选地，所述的乙酸钴/乙酸铜水溶液的浓度为0.05～0.1mol/L，沉积SILAR循环次数为3～12次。本专利技术公开了以下技术效果：与现有对电极材料相比，本专利技术制备的复合纳米结构纳米棒阵列对电极具有以下优点：(1)本专利技术中，ZnO起到支撑催化剂和传输电子的作用，ZnO纳米棒阵列具有大的比表面积，可以负载更多的CoS、CuS催化剂，提高催化剂与电解液的接触面积，显著降低电解液/对电极界面的传输电阻。(2)高度有序排列的ZnO纳米棒具有高的电导率，有利于将外电路中的电子快速传输到具有高催化活性的CoS、CuS位置，促进对电极与电解液之间的电子传输；同时由于纳米棒阵列间的空隙比较大，可以使电解液顺利渗透到负载有金属硫化物催化剂的ZnO纳米棒之间，有利于促进S2-/Sn2-氧化还原对之间的快速反应。(3)复合纳米结构对电极通过全溶液法制备而成，工艺简单、成本低廉、性能优异，作为QDSSC的对电极，在相同的实验条件下，ZnO/CuS和ZnO/CoS对电极组装的电池的光电转换效率分别比传统Pt对电极组装的电池的光电转换效率提高了141％和86％。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为ZnO纳米棒阵列的扫描电子显微镜(SEM)照片，(a)为截面SEM图，(b)为表面SEM图；图2为实施例1制备的ZnO纳米棒阵列负载CoS催化剂的纳米复合结构对电极的扫描电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极，其特征在于：所述纳米复合对电极包括ZnO纳米棒阵列和在ZnO纳米棒阵列表面沉积的金属硫化物纳米颗粒。

【技术特征摘要】
1.用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极，其特征在于：所述纳米复合对电极包括ZnO纳米棒阵列和在ZnO纳米棒阵列表面沉积的金属硫化物纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极，其特征在于：所述金属硫化物纳米颗粒包括CoS纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极，其特征在于：所述金属硫化物纳米颗粒包括CuS纳米颗粒。4.根据权利要求1所述的用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极，其特征在于：所述ZnO纳米棒阵列的制备方法包括以下步骤：(1)ZnO籽晶层的制备以醋酸锌为ZnO的前躯体，以乙二醇甲醚为溶剂，以单乙醇胺为稳定剂，三者混合后在60℃下搅拌反应30分钟，随后在恒温下陈化24小时形成均匀的ZnO前躯体溶胶，然后将其旋涂于清洗干净的导电玻璃基底表面，放入马弗炉中，在200℃下热处理15分钟以固化薄膜，重复上述旋涂和热处理过程2～5次，最后放入马弗炉中，在350℃退火1小时形成ZnO籽晶层；(2)ZnO纳米棒阵列的生长采用低温化学浴沉积法制备ZnO纳米棒阵列，生长溶液为等体积的硝酸锌水溶液和氢氧化钠水溶液的混合液，混合液搅拌1小时后，将制备好的ZnO籽晶层基底正面斜朝下悬浮于生长溶液中，然后将盛有生长液的烧杯置于恒温水浴锅中，83℃水浴中生长30～60分钟即形成ZnO纳米棒阵列，取出后用去离子水和乙醇冲洗干净，置于200℃的马弗炉中干燥，备用。5.根据权利要求4所述的用于量子点敏化太阳能电池的纳米复合对电极，其特征在于：步骤(1)所述的醋酸锌溶液的浓度为0.1～0.8mol/L，醋酸锌和单乙醇胺的摩尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋孝辉，马梓楠，田甜，闫勇，王立，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41