基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用

摘要

本发明提供了基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，具体是将合金通过电化学沉积在FTO或ITO导电玻璃基体上形成合金对电极，本发明充分利用合金的低成本、高导电性和稳定性及优良的电催化性，并进行合理的元素配比设计，优化低铂合金对电极的组成，提高其电催化性能。本发明的二元低铂合金对电极稳定性高、电导率好、电催化活性优越，制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大，所组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率高、电解质的还原性好。

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术以及新能源技术领域，具体涉及基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用。

背景技术

染料敏化太阳能电池是一种由多孔二氧化钛纳米晶光阳极、敏化染料、I^-/I₃^-电解质和对电极组成的可将太阳能转变为电能的电化学装置。

染料敏化纳米晶太阳能电池是二十世纪九十代开发出的一种新型电化学太阳能电池，具有成本低、制备工艺简便、稳定性好、环境友好等特点，具有良好的应用前景。然而目前染料敏化纳米晶太阳能电池使用的铂对电极价格较高，不利于该太阳能电池的商业应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池及其制备方法和应用，本发明可以获得成本低、稳定性好、催化性能良好的二元低铂合金对电极，使其可以取代染料敏化纳米晶太阳能电池中常用的的铂对电极，促进染料敏化纳米晶太阳能电池的实用化，加速染料敏化纳米晶太阳能电池的产业化进程，具有重要的实用价值和经济价值。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

基于低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池的制备方法，包括以下步骤：

(1)、配制浓度为1~5 mol/L的金属盐水溶液，浓度为1~8 mmol/L氯铂酸水溶液和浓度为1~2 mol/L的氯化氢水溶液；

(2)、按体积比为金属盐水溶液：氯铂酸水溶液：氯化氢水溶液：水=1~10：1~5：1~5：10~100，配制成均匀的反应溶液；

(3)、在步骤(2)中的反应溶液中放入清洗干净的FTO或ITO导电玻璃基体作为工作电极、以Ag/AgCl电极为参比电极、以Pt电极为对电极组装成三电极体系，采用电化学沉积法在导电玻璃基体表面沉积均匀的二元低铂合金对电极，将该合金对电极经水洗、干燥，得到干燥的二元低铂合金对电极；

(4)、制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体涂于FTO或ITO导电玻璃基体上，控制膜厚为5～15 μm，经450°C煅烧制备多孔二氧化钛薄膜；

(5)、将步骤(4)制备的二氧化钛薄膜浸入0.2～0.5 mmol/L的染料中形成染料敏化二氧化钛光阳极；

(6)、将步骤(3)制备的合金对电极和步骤(5)制备的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间加入液体电解质组装染料敏化太阳能电池。

进一步的，所述步骤(1)中的金属为铁、镍或钴中的一种。

进一步的，所述步骤(1)中的金属盐为金属氯盐或硝酸盐。

进一步的，所述步骤(3)中采用的电化学沉积方法为恒电压法、恒电流法或循环伏安法。

进一步的，所述步骤(4)中二氧化钛胶体通过常规溶胶-水热法制备而成。

进一步的，所述步骤(5)中的染料为N719或N3染料。

进一步的，所述步骤(6)中的液体电解质由0.01~0.06 mol/L碘、0.08~0.12 mol/L碘化锂、0.4~0.8 mol/L四丁基碘化铵和0.4~0.6 mol/L 4－叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。

本发明还提供了利用所述的制备方法制得的基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池。

进一步的，所述染料敏化太阳能电池的开路电压为700～800 mV、短路电流为16～22 mA·cm^-2、填充因子为0.6～0.7、光电转换效率为7.5～11%。

本发明还提供了所述的基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池在作为电池组件及电站中的应用。

与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是：本发明充分利用合金的低成本、高导电性和稳定性及优良的电催化性，并进行合理的元素配比设计，优化低铂合金对电极的组成，提高其电催化性能。本发明的二元低铂合金对电极稳定性高、电导率好、电催化活性优越，制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大，所组装的染料敏化太阳能电池的光电转换效率高、电解质的还原性好。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

 实施例1

本发明所述基于二元低铂合金对电极的染料敏化太阳能电池的制备方法包括以下步骤：

1、反应溶液的配制：配制浓度为1~5 mol/L的金属盐水溶液，浓度为1~8 mmol/L的氯铂酸水溶液，浓度为1~2 mol/L氯化氢水溶液，所述金属盐水溶液为铁盐、镍盐或钴盐中的一种，所述金属盐为金属氯盐或硝酸盐。

2、按体积比为所述金属盐水溶液：氯铂酸水溶液：氯化氢水溶液：水=1~10：1~5：1~5：10~100的比例，配制成均匀的反应溶液。

3、在步骤(2)中的反应溶液中放入清洗干净的FTO或ITO导电玻璃基体作为工作电极、以Ag/AgCl电极为参比电极、以铂电极为对电极组装成三电极体系，采用恒电位法、恒电流法、循环伏安法等电化学沉积技术，在预处理的导电玻璃基体表面沉积均匀的二元低铂合金对电极。将该二元低铂合金对电极经洗涤、干燥，最终制备成干燥的二元低铂合金对电极。

4、二氧化钛薄膜的制备：将常规溶胶-水热法制备的二氧化钛胶体涂于FTO或ITO导电玻璃基体上，控制膜厚为5~10 μm，经450℃煅烧30 min，制备得到二氧化钛纳米晶薄膜。

5、染料敏化二氧化钛光阳极的制备：将步骤(4)制备的二氧化钛薄膜浸入0.3 mmol/L的N719染料（或N3染料）中24 h形成染料敏化二氧化钛光阳极。

6、染料敏化太阳能电池的组装：将步骤3和步骤5制备的二元低铂合金对电极和染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间加入液体电解质组装成染料敏化太阳能电池。所述液体电解质由0.01~0.06 mol/L碘、0.08~0.12 mol/L碘化锂、0.4~0.8 mol/L四丁基碘化铵和0.4~0.6 mol/L 4－叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。

通过上述方法，可获得开路电压为700～800 mV，短路电流为16～22 mA·cm^-2，填充因子为0.6～0.7，光电转换效率为7.5～11%的二元低铂合金对电极基双面染料敏化太阳能电池。本发明所述染料敏化太阳能电池可以作为电池组件和电站应用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。