用于染料敏化太陽能電池的催化碳對電極的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開的內(nèi)容設(shè)及一種在染料敏化太陽能電池(DSSC)中用作光電轉(zhuǎn)換元件 的碳催化劑層。
【背景技術(shù)】
[0002] 染料敏化太陽能電池(DSSCs)是由B.0'里根和M.格萊才爾在1991年發(fā)明的，并被 記載在"一種基于染料敏化膠體Ti化薄膜的低成本、高效率太陽能電池"中（B.O'Regan and M.Gratzel ,Nature, 1991,353,737-740) JSSCs的工作原理與傳統(tǒng)的p-n結(jié)太陽能電池是完 全不同的，運是因為DSSC需要分子敏化劑來產(chǎn)生自由電子。典型的DSSC結(jié)構(gòu)包括一個工作 電極或光電極、一個對電極和一種電解質(zhì)溶液。工作電極為涂覆有介孔Ti化納米顆粒且固 定有；聚釘絡(luò)合物染料敏化劑RuL2(y-(CN)Ru(CN)l/2)2的透明導(dǎo)電氧化物(TCO)玻璃襯底， 其中L為2,2'-聯(lián)化晚-4,4'-二簇酸，L'為2,2'-聯(lián)化晚。
[0003] 電解液通常包括=艦化物/艦化物作為氧化還原電對，而對電極使用銷作為催化 劑。銷是一種貴金屬，運意味著由于稀少它是相當(dāng)昂貴的。一般來說，由于銷具有高的電化 學(xué)活性和低的電阻率，DSSCs中需要使用銷作為催化劑。為找到一個合適的且較便宜的 DSSCs中銷催化劑替代品，人們已作出了大量的努力。
[0004] 由于具有如高表面積、高導(dǎo)電性、高電催化活性、易于制備W及低到非常低的成本 的性能，碳基材料成為銷催化劑的合適的替代品。已經(jīng)有幾種形式的碳基材料被用作DSSCs 催化劑，包括碳納米管（CNTs)(W.J.Lee et al.,ACS Applied Materials and Inte;rfaces,2009,1(6),1145-1149)、碳納米纖維（P.Joshi et al.,ACS Applied Material and Interfaces,2010,2(12),3572-3577)、炭黑顆粒（N.Takurou et al., Journal of the Electrochemical Society,2006,153( 12),A2255-A2261)、石墨 (G.Veerappan et al.,ACS Applied Materials and Interfaces,2011,3(3),857-862)和 石墨締（（D.W.Zhang et al. ,Carbon,2011,49,5382-5388)。在運一點上，看來使用碳基材 料作為DSSC對電極中的催化劑可W作為銷催化劑的可行替代品。盡管如此，使用碳基材料 催化劑取代銷催化劑的現(xiàn)有嘗試出現(xiàn)不必要的復(fù)雜。需要一種非常簡單的、可靠的、易于制 造的方式來準備或提供一種有效的用于替代DSSC中的銷催化劑的碳基材料替代品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明公開的內(nèi)容方面針對了一種利用無定形碳作為催化劑的DSSC對電極，其中 無定形碳已用簡單的退火工藝進行處理，從而為應(yīng)用在含=艦化物和艦化物氧化還原電對 的電解液的無定形碳提供了低電阻率和高電催化活性，并得到了較高的DSSC功率轉(zhuǎn)換效 率，該DSSC功率轉(zhuǎn)換效率與利用銷催化劑的DSSC相當(dāng)。根據(jù)本發(fā)明公開的一個實施方式，無 定形碳催化劑作為一種簡單、可靠、容易制造 W及廉價的銷替代品用作DSSC催化劑是合適 的。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明公開的一個方面，一種用于電解質(zhì)的碳基催化劑層，所述電解質(zhì)為W =艦化物和艦化物氧化還原電對為基礎(chǔ)的電解質(zhì)，所述碳基催化劑層包括無定形碳、氧、 娃、錫和氣。無定形碳、氧、娃、錫和氣各自的體積濃度為10.0-90.0%、0.1-20.0%、0.1-3.0%、0.1-1.0%和0.1-1.0%。碳基催化劑層的電阻率為0.1-100.0歐姆/平方，例如，電阻 率約小于7.0歐姆/平方。碳基催化劑層可W包括相應(yīng)于或相似于/類似于富勒締狀結(jié)構(gòu)或 洋蔥狀結(jié)構(gòu)的石墨相。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明公開的一個方面，一種用于染料敏化太陽能電池(DSSC)的對電極結(jié)構(gòu) 包括一種退火的無定形碳催化劑層，它具有10.0-90.0%之間的SP 3軌道百分數(shù)。退火的無 定形碳催化劑層可W具有約小于50.0 %的SP3軌道百分數(shù)，或約小于25 %的SP3軌道百分數(shù)， 例如具有約22.58%的SP3軌道百分數(shù)。退火的無定形碳催化劑層可包括相應(yīng)于或相似于/ 類似于富勒締狀結(jié)構(gòu)或洋蔥狀結(jié)構(gòu)的石墨相。
[0008] 對電極結(jié)構(gòu)中的退火的無定形催化劑層可W具有上述的組成含量;對電極結(jié)構(gòu)中 的退火的無定形碳催化劑層可W具有0.1-10.0微米的厚度。
[0009] 在對電極結(jié)構(gòu)中，無定形碳催化劑層由具有一個導(dǎo)電層的透明導(dǎo)電氧化物(TCO) 襯底負載，導(dǎo)電層包括氣滲雜的氧化錫、銅滲雜的氧化錫、侶滲雜的氧化鋒、嫁滲雜的氧化 鋒和錯滲雜的氧化銅中的一種。
[0010] -種染料敏化太陽能電池 (DSSC)包括對應(yīng)于本發(fā)明公開的一個實施方式的一種 對電極結(jié)構(gòu)。
[0011] -種制備碳催化劑層的方法包括:提供其上具有透明導(dǎo)電氧化物(TCO)層的襯底； 在TCO層上沉積一層無定形碳層；W及將沉積的無定形碳層進行退火W得到大約10%-90% 范圍的SP 3軌道百分數(shù)。將沉積的無定形碳層進行退火包括將沉積的無定形碳層在250-650 °C的溫度(例如，大約在300-600°C之間）進行退火，例如，處于/使用環(huán)境壓力下或接近環(huán)境 壓力下的氮氣、氮氣和/或氣氣。對沉積的無定形碳層進行退火包括將沉積的無定形碳層進 行退火W得到約小于50%的SP 3軌道百分數(shù)，或約小于25%，例如SP3軌道百分數(shù)約為 22.58%。對沉積的無定形碳層進行退火包括在無定形碳層中制造相應(yīng)于或相似于/類似于 富勒締狀結(jié)構(gòu)或洋蔥狀結(jié)構(gòu)的石墨相（例如，在小于或顯著小于約l〇〇〇°C的溫度下制造運 樣的石墨相，例如約500°C)。
[0012] 沉積無定形碳層可W包括:將其上具有TCO層的襯底放置在射頻等離子體增強化 學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)系統(tǒng)的一個腔室中；向腔室中供給甲燒和氨氣氣體；W及在腔室中 制造等離子體。在腔室中制造等離子體可W包括采用W下RF-PECVD的操作條件:邸4(流量 約為5. Osccm)和此(流量約為5.5sccm)的混合氣體，襯底溫度約為70°C，壓強約為320毫托， RF頻率約為13.56 X IO6Hz，W及功率為約45分鐘約60瓦。
【附圖說明】
[0013] 圖1為對應(yīng)于本發(fā)明公開的一個實施方式的一個代表性碳基對電極結(jié)構(gòu)的剖面 圖。
[0014] 圖2示出了實施例1-5的碳基對電極和對比例1和2的非碳基對電極的電阻率的變 化。
[001引圖3A和圖3B為包含實施例1-5對電極W及包含對比例2對電極的染料敏化太陽能 電池 (DSSCs)的奈奎斯特圖。
[0016] 圖4為包含實施例1-5碳基對電極的DSSCs和包含對比例2銷基對電極的DSSCs的電 流密度隨電壓變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0017] 在本發(fā)明公開的內(nèi)容中，一個給定元素、對象或考慮或使用一個圖中特定的相應(yīng) 數(shù)目的描述，或在相應(yīng)的描述性材料中的引用可包括相同的、等效的，或類似的元件或在另 一個圖標識的元件數(shù)目或與其相關(guān)的描述材料。運里，在文中使用7"或與其相關(guān)的圖可W 理解為是指"和/或"，除非另有說明。運里一個特定的數(shù)值或數(shù)值范圍的敘述應(yīng)當(dāng)被理解為 包括或者為一個近似的數(shù)值或數(shù)值范圍的敘述，如在+/-20%，+ 10 %，或± 5%的所述值或 值范圍。W類似的方式，術(shù)語"約"和"大約"是指近似值或值的范圍，例如在+/-20%，+ 10%， 或± 5 %的一個所述值或值范圍。
[0018] 如本文所用，根據(jù)已知的數(shù)學(xué)定義(例如，對應(yīng)于《數(shù)學(xué)推理簡介:數(shù)字，集合和功 能r第11章：有限集的屬性"（例如，如第140頁所描述的）（Peter J.Eccles ,Cambridge 化iversity Press(1998))所描述的方式），術(shù)語"集合"對應(yīng)于或定義為元素的非空有限組 合，其在數(shù)學(xué)上表現(xiàn)為一個至少為1的基數(shù)（即，如本文定義的"集合"可對應(yīng)于單元、單個、 單一元素集，或者多元素集）。如本文使用的術(shù)語"子集"相應(yīng)地指具有兩個或更多個元素的 集合的特定部分(例如，小數(shù)部分）。一般來說，一個集合或一個子集的元素可W包括或者為 一種化合物、一種組合物、一種成分、一種組分，一個過程的一部分、一個物理參數(shù)或者取決 于集合或子集類型所考慮的值。
[0019] 代表性結(jié)構(gòu)概述
[0020] 圖1示出了對應(yīng)本發(fā)明公開的一實施方式的一種代表性對電極結(jié)構(gòu)，其為疊層或 夾層結(jié)構(gòu)，其包括碳催化劑膜或?qū)?0;-個透明導(dǎo)電氧化物(TCO)膜或?qū)?0; W及透明襯底 30,其可W包括或為玻璃或其它合適的材料。碳催化劑層10可W定義為一個頂層，TCO層20 可W定義為一個中間層，W及透明襯底30可W定義為疊層結(jié)構(gòu)的底層。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明公開的實施方式，碳催化劑層10包括或由無定形碳組成。無定形碳催 化劑層10包括金剛石和石墨結(jié)構(gòu)形式的碳。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W理解金剛石結(jié)構(gòu)具有 SP3電子軌道結(jié)