一种染料敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种染料敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法和应用。本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料，包括基底和吸附在基底表面的氧化锡纳米条阵列，吸附氧化锡纳米条阵列的基底表面还吸附有碳纳米片层；并且，氧化锡纳米条阵列与碳纳米片层的接触面上，氧化锡纳米条中的Sn与碳纳米片层中的C形成Sn‑O‑C配位键。本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料，采用氧化锡/碳纳米片复合材料替换铂电极，为染料敏化太阳能电池提供了一种新的非铂电极。本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料具有优良的导电性和电催化性能，并且和基底有着很好的附着力，稳定性好；所制备的太阳能电池具有优良的光电转换效率。

Dye sensitized solar cell counter electrode material and preparation method and application thereof

The invention discloses a dye-sensitized solar cell counter electrode material and a preparation method and application thereof. The dye-sensitized solar cell of the present invention has an electrode material, including a substrate and a tin oxide nanostrip array adsorbed on the substrate surface, a carbon nanosheet layer adsorbed on the substrate surface of the tin oxide nanostrip array, and a Sn and carbon in the tin oxide nanostrip array on the contact surface between the tin oxide nanostrip array and the carbon nanosheet layer. The C in the nanoscale layer forms the Sn O C coordination bond. A novel non-platinum electrode for dye-sensitized solar cells is provided by replacing platinum electrode with tin oxide/carbon nanosheet composite material for the electrode material of the dye-sensitized solar cells. The dye-sensitized solar cell has excellent conductivity and electrocatalytic performance to the electrode material, and has good adhesion with the substrate, good stability; the solar cell prepared has excellent photoelectric conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种染料敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法和应用
本申请涉及染料敏化太阳能电池领域，特别是涉及一种染料敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
自1991年瑞士科学家M.领导的研究小组在染料敏化太阳能电池(dye-sensitizedsolarcell，DSSC)领域取得突破以来，DSSC成为各国科学家研究的热点。DSSC具有理论转化效率高、成本低、工艺简单、可制备成柔性电池等一系列硅太阳能电池无法比拟的优点，从而成为太阳能电池领域中最瞩目的电池之一。铂对电极因其稳定性好、电催化性能高，成为最早用于染料敏化太阳能电池的对电极材料，也是目前最常用的对电极材料。但是，由于铂材料比较昂贵，研究者们一直致力于探索低成本、非铂的新型对电极材料。经过近20年的发展，对电极材料的种类已从单一的贵金属铂发展到碳材料(如活性炭、碳纳米管、石墨烯等)、高分子导电聚合物(如聚苯胺、PEDOT等)、过渡金属碳化物、氮化物、氧化物、硫化物等。碳材料以其资源丰富、成本低廉、高导电性、电化学性能稳定、催化活性高等优点成为最具吸引力的替代材料。碳作为对电极存在的主要缺点是：对电极制备工艺还不够完善，有高催化活性的多孔碳对电极的表面电阻较大。同时，碳材料与导电基底的附着不够致密和牢固，从而限制了电子的传输，降低了对电极的稳定性。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的染料敏化太阳能电池对电极材料及其制备方法和应用。本申请采用了以下技术方案：本申请的一方面公开了一种染料敏化太阳能电池对电极材料，包括基底和吸附在基底表面的氧化锡纳米条阵列，吸附氧化锡纳米条阵列的基底表面还吸附有碳纳米片层；并且，氧化锡纳米条阵列与碳纳米片层的接触面上，氧化锡纳米条中的Sn与碳纳米片层中的C形成Sn-O-C配位键。需要说明的是，本申请的关键在于创造性的提出了一种非铂的新型对电极材料；本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料，Sn与碳纳米片层中的C形成Sn-O-C配位键，提高了碳的催化能力和输运电子的能力。本申请优选的方案中，氧化锡纳米条阵列由n型掺杂SnO2形成，实际上是将n型掺杂SnO2与碳的复合杂化材料，即n-SnO2/C，作为DSSC的对电极；这种材料具有优良的导电性和电催化性能，并且和基底有很好的附着力。优选的，氧化锡纳米条阵列由n型掺杂SnO2形成，掺杂元素选自Nb、Ta和V中的至少一种。需要说明的是，本申请的电池对电极材料通过选择不同的掺杂源控制氧化锡的导电能力及推电子能力，通过控制煅烧条件，使得掺杂氧化锡和碳层之间得以形成一个优化的Sn-O-C界面；对氧化锡进行元素掺杂，进一步提高其导电性和推电子能力，即制备出了一种n型掺杂SnO2与碳的复合杂化材料n-SnO2/C。优选的，基底为钛片、不锈钢片或导电FTO。优选的，氧化锡纳米条阵列的高度为3-5μm，所述碳纳米片层的厚度为50-100nm。本申请的另一面公开了一种采用本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料的染料敏化太阳能电池。本申请的再一面公开了一种本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料的制备方法，包括以下步骤，(1)将锡源或者锡源和掺杂元素源，与硫代乙酰胺一起溶解于溶剂中，配制成氧化锡反应液；(2)将基底置于步骤(1)配制的氧化锡反应液中，在25-100℃反应2-10h；(3)取出步骤(2)处理后的基底，用水清洗后，在空气下300-500℃煅烧2-6h；其中，煅烧的目的是使其结晶性更好；(4)将步骤(3)处理后的基底冷却至室温后置于碳源水溶液中，160-180℃下水热反应2-6h；(5)将步骤(4)处理后的基底置于惰性气氛中300-500℃煅烧2-6h，即制成染料敏化太阳能对电极材料。优选的，锡源为SnCl4·5H2O或SnCl2·2H2O。优选的，掺杂元素源为TaCl5、NbCl5和VCl3中的至少一种。需要说明的是，本申请的优选方案中掺杂元素选自Nb、Ta和V中的至少一种，因此，掺杂元素氯化物即NbCl5、TaCl5和VCl3中的至少一种。优选的，溶剂为水、异丙醇和乙醇中的至少一种。优选的，锡源在氧化锡反应液中的浓度为0.3-1mol/L，掺杂元素源的浓度为0.006M-0.1mol/L，硫代乙酰胺的浓度为0.2-0.8mol/L。本申请的有益效果在于：本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料，采用氧化锡/碳纳米片复合材料替换铂电极，为染料敏化太阳能电池提供了一种新的非铂电极。本申请的染料敏化太阳能电池对电极材料具有优良的导电性和电催化性能，并且和基底有着很好的附着力，稳定性好；所制备的太阳能电池具有优良的光电转换效率。附图说明图1是本申请实施例一中组装的染料敏化太阳能电池的IV曲线测试结果；图2是本申请实施例一中所制备材料的SEM照片；图3是本申请实施例一所制备材料的XPS图片；图4是本申请实施例一所制备材料的TEM图片；图5是本申请实施例一所制备材料的结构示意图。具体实施方式本申请研发了一种用于染料敏化太阳能电池的、新的非铂对电极材料及其制备方法，该对电极材料由基底和附着在基底上的氧化锡/碳纳米片组成，其中氧化锡中的Sn与碳纳米片中的C形成Sn-O-C配位键，使得电极材料具有良好的催化能力和输运电子能力，从而能够很好的用于染料敏化太阳能电池的对电极。其中，基底可以采用常规的基底，例如钛片、不锈钢片或导电FTO等。下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。实施例一本例的染料敏化太阳能电池对电极材料中在氧化锡层掺杂Ta，其制备方法中锡源采用SnCl4·5H2O，掺杂元素源为TaCl5，碳源溶液为葡萄糖溶液，具体制备方法如下：(1)配置TaCl5终浓度为0.0235mol/L、SnCl4·5H2O终浓度为0.3mol/L和硫代乙酰胺终浓度为0.8mol/L的氧化锡反应液；其中，溶剂为体积比1：1的异丙醇和乙醇混合溶液；(2)将Ti基底置于其中，在80℃反应3h；(3)将步骤(2)所得产物用水清洗后，在空气下500℃煅烧2h；(4)冷却至室温后将其置于40g/L的葡萄糖溶液中180℃下水热反应4h；(5)将反应后的产物在惰性气氛氩气中500℃煅烧2h，即得本例的染料敏化太阳能电池对电极材料。采用扫描电子显微镜(缩写SEM)对本例制备的染料敏化太阳能电池对电极材料进行观察，结果如图2所示，可以看出，本例制备的对电极材料，其氧化锡/碳纳米片与基底Ti之间连接紧密。进一步的对本例制备的染料敏化太阳能电池对电极材料进行X射线光电子能谱分析(缩写XPS)，结果如图3所示，结果显示，氧化锡纳米条中的Sn与碳纳米片层中的C形成Sn-O-C配位键，这对本例制备的对电极材料性能提高具有很好的促进作用。采用透射电子显微镜(缩写TEM)对本例制备的染料敏化太阳能电池对电极材料进行观察，结果如图4所示，可以看出，氧化锡纳米条阵列的表面具有一层约7-8nm厚的碳纳米片层。根据图2至图4观察的结果，本例制备的染料敏化太阳能电池对电极材料的基本结构如图5所示，首先是在基底上具有一个氧化锡纳米条阵列，在阵列的表面吸附有碳纳米片层，碳纳米片层覆盖在氧化锡纳米条阵列之间。将本例的对电极材料制备成染料敏化太阳能电池，具体如下：本例的工作电极材料由吸附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种染料敏化太阳能电池对电极材料，其特征在于：包括基底和吸附在基底表面的氧化锡纳米条阵列，吸附氧化锡纳米条阵列的基底表面还吸附有碳纳米片层；并且，氧化锡纳米条阵列与碳纳米片层的接触面上，氧化锡纳米条中的Sn与碳纳米片层中的C形成Sn‑O‑C配位键。

【技术特征摘要】
1.一种染料敏化太阳能电池对电极材料，其特征在于：包括基底和吸附在基底表面的氧化锡纳米条阵列，吸附氧化锡纳米条阵列的基底表面还吸附有碳纳米片层；并且，氧化锡纳米条阵列与碳纳米片层的接触面上，氧化锡纳米条中的Sn与碳纳米片层中的C形成Sn-O-C配位键。2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池对电极材料，其特征在于：所述氧化锡纳米条阵列由n型掺杂SnO2形成，掺杂元素选自Nb、Ta和V中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的染料敏化太阳能电池对电极材料，其特征在于：所述基底为钛片、不锈钢片或导电FTO。4.根据权利要求1或2所述的染料敏化太阳能电池对电极材料，其特征在于：所述氧化锡纳米条阵列的高度为3-5μm，所述碳纳米片层的厚度为50-100nm。5.一种采用权利要求1-4任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极材料的染料敏化太阳能电池。6.根据权利要求1-4任一项所述的染料敏化太阳能电池对电极材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，(1)将锡源或者锡源和掺杂元素源，与硫代乙酰胺一起溶解...

【专利技术属性】
技术研发人员：段彦栋，潘锋，郑家新，林原，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44