專利名稱：基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種第三代薄膜太陽能電池材料的制備方法，尤其涉及一種基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法。
背景技術(shù)：
CdS 和 CdSe 量子點敏化電池(Quantum dot sensitized Solar Cell (QDSC))是第三代太陽電池中國內(nèi)外廣泛研究的具有高效光電轉(zhuǎn)化效率的太陽能電池。這種電池結(jié)構(gòu)是Ti02/CdS/多硫化物電解液/Pt對電極或Ti02/CdS/CdSe多硫化物電解液/Pt對電極。制約電池轉(zhuǎn)換效率的一個關(guān)鍵因素就是對電極。傳統(tǒng)的Pt對電極具有以下不足第一是Pt資源有限，導致成本過高，第二是Pt對電極容易產(chǎn)生過電勢，嚴重制約了電池的性能，第三 是Pt對電極對多硫化物電解液催化活性低、導電性差，影響電荷的收集和輸運。最近興起的硫化物對電極如CuS、PbS是一種具有高效催化活性的資源豐富的替代Pt的理想材料，但是現(xiàn)有技術(shù)中制備CuS和PbS對電極過程復雜繁瑣，而且存在安全性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種廉價、簡易、可規(guī)?；能浕瘜W生長方法制備多孔硫化物對電極的普適方法，該方法不需要昂貴精密的實驗設備和復雜的實驗流程，不需要苛刻的實驗條件，不需要高真空，僅僅是在大氣環(huán)境下即可制備多孔的硫化物對電極。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，包括步驟前驅(qū)液配制制備CuS對電極時，將金屬鹽硝酸銅溶于乙醇溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體；制備PbS對電極時，將金屬鹽硝酸鉛溶于甲醇和水混合溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體。制備過程以去油脂的摻氟的SnO2導電玻璃作為基底，用旋涂儀將所述陽離子前驅(qū)液旋涂在所述基底上，再將基底置入所述陰離子前驅(qū)液中硫化，然后用甲醇清洗掉殘余的未反應的離子，最后在加熱板上空氣環(huán)境中烘烤。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，采用基于軟化學的溶液法合成了對多硫化物電解液(Sn2—/S2-)具有高效電催化活性的光化學太陽能電池的硫化物(CuS/PbS對電極)，將金屬鹽陽離子Cu2+或Pb2+溶于乙醇或甲醇與水混合溶液，將硫化物陰離子S2_溶于甲醇和水混合溶液。在空氣環(huán)境下在FTO襯底上直接能夠反應生成具有高效電催化活性的太陽能電池的對電極CuS或PbS。這種方法操作簡單易控，成本低，環(huán)保無污染，更無需高真空，對設備要求低，可用于工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)，而且這種方法對制備硫化物對電極如CuS、PbS都適用，具有普適性。


圖la、圖Ib分別為本發(fā)明實施例中6個制備循環(huán)之后的CuS和PbS的SEM (掃面電子顯微鏡)照片；圖2為本發(fā)明實施例中分別以CuS、PbS和Pt三種電極組成對稱對電極時的EIS阻抗譜；圖3為本發(fā)明實施例中分別以CuS、PbS和Pt作為對電極的太陽能電池的AM I. 5GI-V曲線。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。 本發(fā)明的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，其較佳的具體實施方式
包括步驟前驅(qū)液配制制備CuS對電極時，將金屬鹽硝酸銅溶于乙醇溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體；制備PbS對電極時，將金屬鹽硝酸鉛溶于甲醇和水混合溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體。制備過程以去油脂的摻氟的SnO2導電玻璃作為基底，用旋涂儀將所述陽離子前驅(qū)液旋涂在所述基底上，再將基底置入所述陰離子前驅(qū)液中硫化，然后用甲醇清洗掉殘余的未反應的離子，最后在加熱板上空氣環(huán)境中烘烤。所述制備過程重復多次。所述基底首先進行以下預處理分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中各超聲30min,然后去尚子水清洗,空氣中干燥。制備CuS對電極時，以體積比I : I的甲醇和去離子水作為溶劑配制硫化鈉溶液；制備PbS對電極時，以體積比7 3的甲醇和去離子水作為溶劑配制鉛鹽溶液，以體積比73的甲醇和水配制硫化鈉溶液。所述制備過程中用旋涂儀將所述陽離子前驅(qū)液1600rpm的轉(zhuǎn)速在所述基底上旋涂Imin,再將基底置入所述陰離子前驅(qū)液中硫化lmin，然后用甲醇清洗掉殘余的未反應的離子，最后在加熱板上120°C空氣環(huán)境中烘烤Imin ；冷卻之后的硫化物電極直接用作太陽能電池的對電極。本發(fā)明采用基于軟化學的溶液法合成了對多硫化物電解液(Sn27S2_)具有高效電催化活性的光化學太陽能電池的硫化物(CuS/PbS對電極)，將金屬鹽陽離子Cu2+或Pb2+溶于乙醇或甲醇與水混合溶液，將硫化物陰離子S2_溶于甲醇和水混合溶液。在空氣環(huán)境下在FTO襯底上直接能夠反應生成具有高效電催化活性的太陽能電池的對電極CuS或PbS。這種方法操作簡單易控，成本低，環(huán)保無污染，更無需高真空，對設備要求低，可用于工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)，而且這種方法對制備硫化物對電極如CuS、PbS都適用，具有普適性。這種方法的特點有以下幾點使用資源豐富的金屬鹽和常見的硫化鈉做前驅(qū)體，使用常見的甲醇、乙醇和去離子水做溶劑，成本低廉；通過旋涂加熱的辦法，保證了 CuS、PbS與基底結(jié)合緊密，不易脫落，從而保證了電極本身的穩(wěn)定性；制備的硫化物對電極為多孔薄膜，比表面積大，保證了硫化物電極本身具有很高的電催化活性；無需高真空高溫等復雜苛刻的實驗條件，在大氣環(huán)境下即可；制備周期短，生長速度快，能耗低，安全環(huán)保，即制即用； 制備方法簡單、易控，無需昂貴復雜的實驗設備。
具體實施例I、商用的FTO (摻氟的SnO2導電玻璃)預處理分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中各超聲30min，然后去離子水清洗，空氣中干燥。2、配制O. 05M的銅鹽溶液，以乙醇作為溶劑；配制O. 05M的硫化鈉溶液，以甲醇和去離子水(體積比I : I)作為溶劑；配制O. 02M的鉛鹽溶液，以甲醇和去離子水作為溶劑(體積比7 3);配制O. 02M的硫化鈉溶液，以甲醇和水(體積比7 3)作溶劑。3、制備過程(I)旋涂陽離子前驅(qū)液先將洗干凈的FTO基底用3M膠帶固定在旋涂儀上面，將配制好的金屬鹽前驅(qū)液取一滴均勻分布在FTO上，然后以1600rpm的轉(zhuǎn)速旋涂Imin ；(2)硫化將涂有銅鹽或鉛鹽離子的FTO基底置入預先配制好的濃度相對應的硫化鈉溶液中硫化lmin，取出后在甲醇中清洗掉殘余的未反應完全的離子，然后在轉(zhuǎn)移到加熱板上面，120°C烘烤lmin，此時便可以清洗看見有CuS或PbS沉積到FTO表面；步驟(I)和(2)構(gòu)成一個生長循環(huán)。通過多個循環(huán)便可以得到在FTO表面均勻分布的硫化物對電極。第一步確保金屬鹽前驅(qū)體在FTO上均勻分布并與FTO緊密結(jié)合，第二步除保證產(chǎn)物與基底集合緊密外，還改善結(jié)晶性。4、冷卻之后的硫化物電極即可直接用作太陽能電池的對電極。5、通過SEM、太陽能電池I-V測試等手段表征硫化物對電極具有高效的電催化性能，效果如下如圖la、lb所示，SEM照片表明制備得到的CuS Ca)和PbS (b)薄膜是多孔的納米結(jié)構(gòu)，具有比表面積大的特點，而且均勻分布。這些特點使得硫化物對電極對多硫化物電解液(Sn27S2_)能夠具有很高的電催化活性。如圖2所示，比較了三種電極組成對稱對電極的EIS阻抗譜。其中Pt對稱對電極的串聯(lián)電阻RS和界面?zhèn)鬟f電阻Rct分別為52. 3和3433 Ω cm2,PbS對稱對電極的串聯(lián)電阻RS和界面?zhèn)鬟f電阻Rct分別為10. I和240. 6 Ω cm2, CuS對稱對電極的串聯(lián)電阻RS和界面?zhèn)鬟f電阻Rct分別為8. 7和105.6Qcm2，Rs越小說明了該電極導電性比較好，Rct越小說明了對多硫化物的催化活性高，電荷傳導快。通過比較發(fā)現(xiàn)PbS和CuS均比磁控濺射的Pt對電極具有更好的導電性和更好的電催化性能。如圖3所示，比較了真空磁控濺射的Pt和采用此方法制備的CuS和PbS作為的T i 02/CdS量子點敏化電池的AMl. 51 -V曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在以多硫化物作為電池的電解液時，以CuS和PbS為對電極的電池的I-V特性明顯優(yōu)于以Pt為對電極的電池。表一提供了相關(guān)參數(shù)的比較，開路電壓、短路電流都有顯著改善，因而光電轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。這些研究表明硫化物對電極比Pt對電極具有更高的電催化活性和導電性。表一、分別以CuS、PbS和Pt為對電極的太陽能電池的AM I. 5G I-V參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，其特征在于，包括步驟 前驅(qū)液配制 制備CuS對電極時，將金屬鹽硝酸銅溶于乙醇溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體； 制備PbS對電極時，將金屬鹽硝酸鉛溶于甲醇和水混合溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體。
制備過程 以去油脂的摻氟的SnO2導電玻璃作為基底，用旋涂儀將所述陽離子前驅(qū)液旋涂在所述基底上，再將基底置入所述陰離子前驅(qū)液中硫化，然后用甲醇清洗掉殘余的未反應的離子，最后在加熱板上空氣環(huán)境中烘烤。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，其特征在于，所述制備過程重復多次。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，其特征在于，所述基底首先進行以下預處理分別在丙酮、無水乙醇、去離子水中各超聲30min，然后去尚子水清洗，空氣中干燥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，其特征在于，制備CuS對電極時，以體積比I : I的甲醇和去離子水作為溶劑配制硫化鈉溶液； 制備PbS對電極時，以體積比7 3的甲醇和去離子水作為溶劑配制鉛鹽溶液，以體積比73的甲醇和水配制硫化鈉溶液。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，其特征在于，所述制備過程中 用旋涂儀將所述陽離子前驅(qū)液1600rpm的轉(zhuǎn)速在所述基底上旋涂lmin，再將基底置入所述陰離子前驅(qū)液中硫化lmin，然后用甲醇清洗掉殘余的未反應的離子，最后在加熱板上120°C空氣環(huán)境中烘烤Imin ； 冷卻之后的硫化物電極直接用作太陽能電池的對電極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于軟化學方法制備硫化物對電極的普適方法，包括前驅(qū)液配制制備CuS對電極時，將金屬鹽硝酸銅溶于乙醇溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體；制備PbS對電極時，將金屬鹽硝酸鉛溶于甲醇和水混合溶液作為陽離子前驅(qū)體，將硫化鈉溶于甲醇和水的混合溶液中作為陰離子前驅(qū)體。制備過程中，以去油脂的摻氟的SnO2導電玻璃作為基底，用旋涂儀將所述陽離子前驅(qū)液旋涂在所述基底上，再將基底置入所述陰離子前驅(qū)液中硫化，然后用甲醇清洗掉殘余的未反應的離子，最后在加熱板上空氣環(huán)境中烘烤。這種方法操作簡單易控，成本低，環(huán)保無污染，更無需高真空，對設備要求低，可用于工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)，并具有普適性。
文檔編號H01G9/042GK102881457SQ20121034750
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月18日
發(fā)明者徐國平, 葉長輝, 王可 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院