一种镍锑硫薄膜的制备方法及应用技术

本发明专利技术提供一种镍锑硫薄膜的制备方法及染料敏化太阳能电池应用。一方面，在二甲基甲酰胺中逐次加入一定量的六水合氯化镍（NiCl

Preparation method and application of nickel antimony sulfur film

The invention provides a preparation method of a nickel antimony sulfur film and a dye sensitized solar cell application. On the one hand, a certain amount of six hydrated nickel chloride (NiCl) was added to the two methyl formamide successively

【技术实现步骤摘要】
一种镍锑硫薄膜的制备方法及应用
本专利技术涉及一种镍锑硫（NiSbS）薄膜对电极的制备方法，属于染料敏化太阳能电池对电极应用领域。
技术介绍
染料敏化太阳能电池（DSSC）是上世纪九十年代发展起来的一种新型光伏发电器件(参见Nature杂志，1991年，第353卷，第737页)。这种新型的太阳能电池环境友好、制备工艺简单、材料便宜，特别是在低成本、低价格方面具有突出优势(参见J.Am.Chem.Soc.杂志，2011年，第133卷，第9304页)，具有很好的实用性。对电极作为染料敏化太阳能电池的重要组成部分，主要用来收集外电路的光生电子并将电解质中三碘化物（I3-）还原，因此，导电性和电催化活性是影响对电极性能的关键因素。目前，世界上高性能的染料敏化太阳能电池主要采用贵金属Pt作为对电极，但由于Pt的成本高、储量有限，极大地限制了染料敏化太阳能电池大规模器件的研发和广泛应用。近年来，无Pt对电极材料的研究尤为活跃，包括碳材料、导电聚合物、无机金属化合物（包括金属碳化物、氮化物、氧化物、硫化物和硒化物等）、多元金属化合物以及复合材料等等。这些材料很多在性能方面已经超过了贵金属Pt（参见J.Phys.Chem.C杂志，2014年，第118卷，第16727页），但在制备工艺和稳定性方面还无法和贵金属Pt相匹敌。镍锑硫（NiSbS）是一种三元无机硫化物，据报道，NiSbS的导电性表现为金属（参见Phys.Rev.B杂志，2013年，第88卷，第159902页），而目前NiSbS薄膜的制备及其对电极性能研究仍没有报道。为此，我们设计制备NiSbS薄膜对电极，为了简化制备工艺和降低成本，借鉴高效Pt对电极的制备工艺，我们采用前驱体溶液热分解方法制备薄膜。研究发现，该制备工艺简单、可行、适合大规模生产，且制备的薄膜具有优异的电催化活性和稳定性，是一种廉价、高效的新型对电极材料，有希望取代贵金属Pt作为染料敏化太阳能电池对电极。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新型、高效、廉价的染料敏化太阳能电池对电极薄膜NiSbS及其制备方法，该薄膜对I3-离子还原表现出优异的电催化性能，且薄膜的制备工艺简单，适合大规模生产，有望取代贵金属Pt实现高性能染料敏化太阳能电池。本专利技术的技术方案包括以下步骤：步骤一：将六水合氯化镍（NiCl2·H2O）和硫脲（Tu）依次加入二甲基甲酰胺（DMF）中，搅拌均匀后得到Ni-Tu前驱体溶液；步骤二：将三氯化锑（SbCl3）和硫脲（Tu）依次加入二甲基甲酰胺（DMF）中，拌均匀后得到Sb-Tu前驱体溶液；步骤三：将Ni-Tu和Sb-Tu前驱体溶液以质量比1：1-3比例混合，拌均匀后得到Ni-Sb-Tu前驱体溶液。将该溶液滴至洁净的FTO表面，置于匀胶机中1000-4000r/min下成膜，然后置于气氛炉中400-500oC下退火处理0.5~1小时，得到NiSbS薄膜。本步骤中，退火气氛为高纯N2或Ar，管式炉升温速率2~8oC/min。本专利技术的优势在于：1、通过前驱体溶液热蒸发方法制备NiSbS薄膜，该制备工艺简单快捷、节省原材料，且制备得到的薄膜具有很好的均一性和可重复性。2、研究表明，NiSbS薄膜具有电催化活性和稳定性高、导电性好的优点。在AM1.5模拟太阳光激发下，以NiSbS薄膜作为对电极实现了最高光电转换效率6.89%，稍高于Pt对电极器件的光电转换效率（6.65%）。因此，NiSbS薄膜具有优异的对电极性能，可取代Pt作为新型高效的染料敏化太阳能电池对电极材料。附图说明图1为Ni-Tu、Sb-Tu和Ni-Sb-Tu前驱体溶液照片。图2为实例1下制备的NiSbS薄膜与热解Pt对比照片。图3为实例1下制备的NiSbS薄膜的SEM照片。图4为将实例1配制的Ni-Sb-Tu前驱体溶液溶剂蒸干并退火之后得到的粉体的XRD图谱与标准PDF卡片对比图。图5为以实例1制备的NiSbS薄膜作为对电极测试得到的器件的J-V曲线。图6为将实例2配制的Ni-Sb-Tu前驱体溶液溶剂蒸干并退火之后得到的粉体的XRD图谱与标准PDF卡片对比图。图7为以实例3在室温下存放90天的Ni-Sb-Tu前驱体溶液制备的NiSbS薄膜作为对电极测试得到的器件的J-V曲线，插图为Ni-Sb-Tu前驱体溶液照片。具体实施方式：实例1将1mmolNiCl2·H2O和1mmolTu依次加入2mLDMF中，搅拌均匀得到Ni-Tu前驱体溶液；将1mmolSbCl3和1mmolTu依次加入2mLDMF中，搅拌均匀得到Sb-Tu前驱体溶液；将Ni-Tu和Sb-Tu前驱体溶液以质量比1：1比例混合，搅拌均匀得到Ni-Sb-Tu前驱体溶液。将该溶液滴至洁净的FTO表面，置于匀胶机中1000-4000r/min下成膜，然后置于高纯Ar气氛炉中400-500oC下退火处理0.5~1小时，得到NiSbS薄膜。图1为Ni-Tu、Sb-Tu和Ni-Sb-Tu前驱体溶液照片。由图片看出，Ni-Sb-Tu前驱体溶液呈现很好的均一性、透明性，和制备Pt电极的前驱体溶液（H2PtCl6·6H2O溶液）非常类似。将该前驱体溶液在FTO表面成膜后，图2给出NiSbS薄膜与热解Pt对比照片，从图中可以看出，通过Ni-Sb-Tu前驱体溶液制备的NiSbS薄膜与Pt电极外观也很类似，均为黑色，且在FTO表面的附着性很好。图3为以该实例下制备的NiSbS薄膜的SEM照片，从图中可以看出，该薄膜由纳米颗粒组成，颗粒尺寸为20-100nm。由于薄膜较薄，这些纳米颗粒并未完全覆盖FTO表面。为了验证NiSbS薄膜的物相，我们将Ni-Sb-Tu前驱体溶液在100oC下蒸干，然后在高纯Ar气氛炉中500oC下退火处理1小时，得到粉体。图4给出该粉体的XRD图谱与标准NiSbSPDF卡片对比图，从图中可以看出，大部分衍射峰都与标准卡片吻合很好，标*位置的2个衍射峰对应Ni0.96S，证明我们通过热分解方法可以得到的NiSbS物相纯度较高。图5为以实例1制备的NiSbS薄膜作为对电极测试得到的器件的J-V曲线，从图中可以计算出，器件的光电转换效率为6.97%，与Pt对电极器件的光电转换效率相当（6.65%），证明了热分解方法制备的NiSbS薄膜优异的对电极性能，有望取代Pt作为新型高效的染料敏化太阳能电池对电极材料。实例2将1mmolNiCl2·H2O和1mmolTu依次加入2mLDMF中，搅拌均匀得到Ni-Tu前驱体溶液；将1mmolSbCl3和1mmolTu依次加入2mLDMF中，搅拌均匀得到Sb-Tu前驱体溶液；将Ni-Tu和Sb-Tu前驱体溶液以质量比1：2比例混合，搅拌均匀得到Ni-Sb-Tu前驱体溶液。将该溶液滴至洁净的FTO表面，置于匀胶机中1000-4000r/min下成膜，然后置于高纯Ar气氛炉中400-500oC下退火处理0.5~1小时，得到NiSbS薄膜。图6为将该实例下配制的Ni-Sb-Tu前驱体溶液在100oC下蒸干，然后在高纯Ar气氛炉中500oC下退火处理1小时后得到粉体的XRD图谱与标准NiSbSPDF卡片对比图。和实例1类似，大部分衍射峰都与标准卡片吻合很好，出现了少量Ni0.96S的衍射峰（标*位置），证明我们该实例下得到的NiSbS物相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍锑硫薄膜的制备方法，其特征在于，实现步骤为：步骤1：将六水合氯化镍和硫脲依次加入二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到Ni‑Tu前驱体溶液；步骤2：将三氯化锑和硫脲依次加入二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到Sb‑Tu前驱体溶液；步骤3：将Ni‑Tu前驱体溶液和Sb‑Tu前驱体溶液以质量比1：1‑3比例混合，搅拌均匀后得到Ni‑Sb‑Tu前驱体溶液，将该溶液滴至洁净的FTO表面，置于匀胶机中1000 ‑ 4000 r/min下成膜，然后置于N

【技术特征摘要】
1.一种镍锑硫薄膜的制备方法，其特征在于，实现步骤为：步骤1：将六水合氯化镍和硫脲依次加入二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到Ni-Tu前驱体溶液；步骤2：将三氯化锑和硫脲依次加入二甲基甲酰胺中，搅拌均匀得到Sb-Tu前驱体溶液；步骤3：将Ni-Tu前驱体溶液和Sb-Tu前驱体溶液以质量比1：1-3比例混合，搅拌均匀后得到Ni-Sb-Tu前驱体溶液，将该溶液滴至洁净的FTO表面，置于匀胶机中1000...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙盼盼，田良愉，黄慧慧，孙小华，黄妞，
申请(专利权)人：三峡大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42