一种适用于弱光条件下量子点敏化太阳能电池的对电极材料及其制备

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 107785173 A(43)申请公布日 2018.03.09

(21)申请号 2016107697.X(22)申请日 2016.08.30

(71)申请人 东北师范大学

地址 130024 吉林春市南关区人民大

街5268号(72)发明人 历凤燕　甄苗苗　金占斌　赖培冬　

许林　(51)Int.Cl.

H01G 9/20(2006.01)H01G 9/042(2006.01)

权利要求书1页 说明书4页 附图3页

CN 107785173 A()发明名称

一种适用于弱光条件下量子点敏化太阳能电池的对电极材料及其制备方法(57)摘要

本发明提供一种适用于弱光条件下量子点敏化太阳能电池的对电极材料及其制备方法。对电极由导电基底和Mo2S/RGO薄膜组成。制备步骤如下：将钼酸钠、硫脲和氧化石墨溶于蒸馏水，然后将混合溶液转移到水热釜中进行反应。反应结束后，产物经离心分离、洗涤、干燥，得到MoS2/RGO。将上述制得的MoS2/RGO沉积在导电基底上制成对电极。本发明提供的MoS2/RGO对电极材料制备方法简单，具有更高的稳定性及催化性能，且便于电池的封装。采用MoS2/RGO对电极组装的量子点敏化太阳能电池在弱光条件下具有很高的光电转换效率，在25mW/cm2的光强下可达6.23％，适用于阴天、雾霾天及低日照地区使用。

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权　利　要　求　书

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1.一种用于弱光条件下量子点敏化太阳能电池的对电极材料及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)MoS2/RGO通过水热法制备：将1mmol Na2MoO4·2H2O和5mmol硫脲溶于60mL蒸馏水，向该溶液中加入0.01氧化石墨；然后将混合溶液转移到100mL水热釜中，在210℃的温度条件下反应24h；得到黑色沉淀，冷却至室温，离心分离，蒸馏水洗涤3次，置于80℃烘箱中干燥12h，获得平均尺寸为0.6μm的MoS2/RGO微球；

2)将0.25g MoS2/RGO和0.06g聚乙二醇溶于0.5mL的乙醇中，超声30min，制备成浆料；3)采用刮涂、旋涂或丝网印刷的方法将上述浆料均匀的涂敷在导电基底上，然后经400℃氩气气氛下热处理30min，形成厚度为10～20μm的量子点敏化太阳能电池对电极薄膜。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述的导电基底为掺F的二氧化锡(FTO)或掺Sn的氧化铟(ITO)玻璃。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1中Mo6+源可以是Na2MoO4·2H2O或(NH4)6Mo7O24·4H2O，S2-源可以是硫脲或Na2S。

4.一种如权利要求1所述的用于量子点敏化太阳能电池的MoS2/RGO对电极的应用，其特征在于：MoS2/RGO对电极与CdS量子点敏化的管状TiO2光阳极、多硫电解质组成量子点敏化太阳能电池。

5.一种如权利要求1所述的弱光条件，其特征在于：光强<100mW/cm2。

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一种适用于弱光条件下量子点敏化太阳能电池的对电极材料

及其制备方法

技术领域

[0001]本发明属于太阳能电池技术领域，涉及一种适用于弱光条件下量子点敏化太阳能电池的对电极材料及其制备方法。

背景技术

[0002]太阳能作为一种纯净的可再生能源，是解决人类面临的环境和能源问题的理想新能源。1991年，Michael教授等在研究开发染料敏化太阳能电池(Dye-Sensitized Solar Cells，简写为DSSCs)方面取得了突破性进展[1]。但是对DSSCs来说，仍然存在染料成本高，二氧化钛易使染料光解，染料光谱范围相对窄，染料吸附率提高困难等一系列制约

若将这些材料控因素。近期的研究表明，窄带隙的无机半导体材料可代替染料作为敏化剂，

制在量子效应范围内，则成为量子点敏化剂。量子点材料与传统染料相比，具有价格低廉、吸收范围宽广和较为稳定等诸多优点。量子点敏化太阳能电池(QDSSCs)的最高理论电池效率可达到66％，这突破了现有的太阳能电池的能量转换极限(31％)，已成为倍受关注的前沿领域。

[0003]对电极的作用是收集电子并催化电解质中的氧化还原反应，这就要求对电极材料既有良好的导电性又具有催化作用。贵金属如Pt、Au、Ag等都可以作为对电极材料。多硫化物电解质是硫化物量子点敏化太阳能电池最常用的电解质。然而，在多硫电解质中Pt对电极表面的电荷转移电阻较大，电催化还原的电荷转移速率慢导致了较大的过电位，使得Pt对电极在量子点敏化太阳能电池中的催化活性较低。此外，多硫电解质中的S2-很容易吸附到Pt对电极的表面，使Pt中毒，降低其催化活性。因此，开发出高效、稳定、价格低廉的非Pt对电极材料是提升量子点敏化太阳能电池效率的关键问题之一。[0004]近年来，研究人员开展了大量工作来寻找Pt电极的替代材料，研究发现金属硫化物(CuS，Cu2S、CoS、PbS等)作为量子点敏化太阳能电池的对电极有优良的催化效果，其中Cu2S对电极的性能最为突出。但是Cu2S对电极通常采用铜片腐蚀的方法制备，这种方法制备的Cu2S存在稳定性差、容易脱落、不易封装，铜片基底易受多硫电解质腐蚀等缺点，且量子点敏化太阳能电池在弱光强下光电转换效率较低，无法在阴天、雾霾天及低日照地区使用。因此，在该技术领域，急需开发出一种具有良好的导电性和催化性能，且廉价、稳定、易封装且适用于弱光条件下的对电极材料。

发明内容

[0005]本发明的目的在于克服现有技术中存在的对电极稳定性差、不易封装、铜片基底易受多硫电解质腐蚀等问题，提供一种用于量子点敏化太阳能电池的Mo2S/RGO对电极及其制备方法。Mo2S优良的催化性能及RGO较快的电荷传输性能，能有效的降低量子点敏化太阳能电池的界面阻抗，提高其光电转换效率。本发明的特点在于用这种对电极组装的量子点敏化太阳能电池在弱光条件下具有很高的光电转换效率，适用于阴天、雾霾天及低日照地

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区使用。

[0006]本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：一种弱光条件下量子点敏化太阳能电池对电极的制备方法，包括以下步骤：[0007]MoS2/RGO通过水热法制备：将1mmol Na2MoO4·2H2O和5mmol硫脲溶于60mL蒸馏水，向该溶液中加入0.01氧化石墨。然后将混合溶液转移到100mL水热釜中，在210℃的温度条件下反应24h。得到黑色沉淀，冷却至室温，离心分离，蒸馏水洗涤3次，置于80℃烘箱中干燥12h，获得平均尺寸为0.6μm的MoS2/RGO微球；

[0008]将0.25g MoS2/RGO和0.06g聚乙二醇溶于0.5mL的乙醇中，超声30min，制备成浆料；

[0009]采用刮涂、旋涂或丝网印刷的方法将上述浆料均匀的涂敷在导电基底上，然后经400℃氩气气氛下热处理30min，形成厚度为10～20μm的量子点敏化太阳能电池对电极薄膜；

[0010]本发明所述的导电基底为掺F的二氧化锡(FTO)或掺Sn的氧化铟(ITO)玻璃。[0011]与现有技术相比，本发明提供了一种用于代替传统对电极的MoS2/RGO对电极材料以及制备方法，本发明的优势在于：

[0012]1)与传统的Pt对电极和Cu2S对电极相比，MoS2/RGO对电极在多硫电解质中表现出更优良的催化性能。RGO较快的电荷传输性能，能有效的降低量子点敏化太阳能电池的界面阻抗，提高其光电转换效率。

[0013]2)与铜片腐蚀法制备的Cu2S对电极相比，本发明制备的MoS2/RGO对电极在多硫电解质中具有更高的稳定性，且便于电池的封装。

[0014]3)用MoS2/RGO对电极组装的量子点敏化太阳能电池在弱光条件下具有很高的光电转换效率，适用于阴天、雾霾天及低日照地区使用。附图说明

[0015]图1是MoS2/RGO微球的扫描电镜(a,b)和透射电镜图(c,d)。[0016]图2是MoS2/RGO对电极的截面扫描电镜图(a)和EDX能谱图(b)。[0017]图3是MoS2/RGO微球的X射线粉末衍射图。[0018]图4是MoS2/RGO微球的的X射线光电子能谱图。

[0019]图5是采用本发明的MoS2/RGO对电极组成的量子点敏化太阳能电池在不同光强条件下 的光电流—光电压曲线。

具体实施方式

[0020]为了进一步说明本发明，列举下列实施实例，但它并不各附加权利要求所定义的发明范围。

[0021]具体实施例1：

[0022](一)制备MoS2/RGO对电极[0023]1)清洗基底

[0024]将FTO导电玻璃基底先用洗衣粉清洗，吹干，然后将其浸泡在含有KOH的异丙醇热饱和溶液中12h，除去FTO基底表面的灰尘和油脂，再分别用去离子水，丙酮，乙醇各超声

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15min,最后吹干备用。

[0025]2)MoS2/RGO复合材料的制备

[0026]将1mmol Na2MoO4·2H2O和5mmol硫脲溶于60mL蒸馏水，向该溶液中加入0.01g氧化石墨。然后将混合溶液转移到100mL水热釜中，在210℃的温度条件下反应24h。得到黑色沉淀，冷却至室温，离心分离，蒸馏水洗涤3次，置于80℃烘箱中干燥12h。[0027]3)MoS2/RGO对电极浆料的制备

[0028]将0.25g MoS2/RGO和0.06g聚乙二醇溶于0.5mL的乙醇中，超声30min，分散均匀后得到浆料。

[0029]4)采用刮涂法制备MoS2/RGO对电极

[0030]用3M胶在清洗过的FTO控制刮涂面积及膜厚度，然后将浆料滴加在FTO上，用刀轻轻刮一层，将得到的膜电极在400℃煅烧30min，以增加膜的附着度。[0031](二)制备CdS量子点敏化的管状TiO2光阳极(TiO2/CdS)[0032]1)水热法制备TiO2纳米管

[0033]将0.6mL钛酸异丙酯(TTIP)加入到30mL 5M HCl(37％)溶液中，搅拌5min，然后转移到50mL的反应釜内，将2×2cm2FTO倾斜放入，150℃反应14h。取出后用去离子水冲洗自然晾干；将上步得到的片子侵入到30mL 6.67M的HCl中，150℃反应7h，样品取出后用去离子水冲洗，450℃煅烧30min。[0034]2)CdS量子点的沉积

[0035]采用连续离子层沉积的方法(SILAR)：配置0.5M Cd(NO3)2乙醇溶液，以及0.5M Na2S甲醇和水(1:1)溶液；先将TiO2纳米管阵列膜样品浸入Cd(NO3)2溶液2min，取出用乙醇冲洗，待样品晾干，再将样品浸入Na2S溶液2min，取出用相应的溶剂冲洗并晾干。反复上述 过程，循环五次，制备得到沉积CdS量子点的TiO2纳米管阵列膜，300℃煅烧30min。[0036]3)ZnS钝化

[0037]其方法同沉积CdS，只是溶液换成0.1M Zn(NO3)2水溶液和0.1M Na2S甲醇和水(1:1)溶液，沉积次数为3次。

[0038](三)组装量子点敏化太阳能电池并测试

[0039]将ZnS/CdS/TiO2光阳极和MoS2/RGO对电极面对面放好，然后用夹子将两侧固定，用封口胶将底端封住，从顶端开口处注入电解质溶液，电解质溶液组成为0.5M Na2S、0.125M S和0.2M KC1的混合溶液,溶剂由体积比为3:7的甲醇和去离子水组成。最后用胶棒将顶端小孔密封即可完成量子点敏化太阳能电池的制备。组装好的电池在100mW/cm2(AM 1.5)的模拟太阳光下测试电流—电压曲线。[0040]具体实施例2：

[0041](一)制备MoS2/RGO对电极[0042]同实施例1。

[0043](二)制备CdS量子点敏化的管状的TiO2光阳极(TiO2/CdS)[0044]同实施例1。

[0045](三)组装量子点敏化太阳能电池并测试

[0046]将ZnS/CdS/TiO2光阳极和MoS2/RGO对电极面对面放好，然后用夹子将两侧固定，用封口胶将底端封住，从顶端开口处注入电解质溶液，电解质溶液组成为0.5M Na2S、0.125M 

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S和0.2M KC1的混合溶液,溶剂由体积比为3:7的甲醇和去离子水组成。最后用胶棒将顶端小孔密封即可完成量子点敏化太阳能电池的制备。组装好的电池在50mW/cm2(AM 1.5)的模拟太阳光下测试电流—电压曲线。[0047]具体实施例3：

[0048](一)制备MoS2/RGO对电极[0049]同实施例1。

[0050](二)制备CdS量子点敏化的管状的TiO2光阳极(TiO2/CdS)[0051]同实施例1。

[0052](三)组装量子点敏化太阳能电池并测试

[0053]将ZnS/CdS/TiO2光阳极和MoS2/RGO对电极面对面放好，然后用夹子将两侧固定，用封口胶将底端封住，从顶端开口处注入电解质溶液，电解质溶液组成为0.5M Na2S、0.125M S 和0.2M KC1的混合溶液,溶剂由体积比为3:7的甲醇和去离子水组成。最后用胶棒将顶端小孔密封即可完成量子点敏化太阳能电池的制备。组装好的电池在25mW/cm2(AM 1.5)的模拟太阳光下测试电流—电压曲线。

[00]图1是MoS2/RGO微球的扫描电镜(a,b)和透射电镜图(c,d)。从图中可以看出MoS2为紧密堆积的花瓣形的微球，负载于层状RGO上。MoS2/RGO微球的平均尺寸为600nm。从高分辨

对应于六方晶系MoS2的(002)晶面。透射电镜图中可以看到0.62nm的晶格间距，

[0055]图2是MoS2/RGO对电极的截面扫描电镜图(a)和EDX能谱图(b)。其中截面扫描电镜图表明下对电极表明形成了厚度为14.6μm的MoS2/RGO对电极薄膜。EDX能谱图证明了在对电极薄膜中，Mo，S，C，和O四种元素的存在。

[0056]图3是MoS2/RGO微球的X射线粉末衍射图。在2θ＝33和58°位置的特征峰对应MoS2六方晶相的(100)和(110)晶面。由于石墨烯的含量很少及其衍射很弱，所以谱图中没有看到C的特征衍射峰。

[0057]图4是MoS2/RGO微球的的X射线光电子能谱图。如图所示，样品中存在Mo，S，C，和O的特征峰，表明MoS2/RGO复合材料中各元素的存在。在高分辨率XPS谱图中，Mo3d5/2和Mo 3d3/2的结合能分别出现在228.2和231.4eV，这正是MoS2中Mo4+的特征峰值。此外，C1s的XPS谱图显示284.6,285.9和288.5eV的吸收峰，分别对应sp2杂化的碳和与氧相连的碳的结合能，如OH-和COOH-等。

[0058]图5是采用本发明的MoS2/RGO对电极组成的量子点敏化太阳能电池光电流—光电压曲线。当光强为100mW/cm2和50mW/cm2时，开路电压分别为0.84，0.82V，短路电流分别为7.79，7.27mA/cm2，转换效率分别为2.21和4.32％。当光强降低为25mW/cm2时，转换效率高达6.23％(如表一所示)。[0059]表一：由MoS2/RGO对电极组成的量子点敏化太阳能电池在不同光强条件下的光电性能参数

[0060]

MoS2/RGO 25mW/cm250mW/cm2100mW/cm2

Jsc(mAcm-2) 5.77 7.27 7.79

Voc(V) 0.75 0.82 0.84

6

FF 0.36 0.36 0.34 PCE(％) 6.23 4.32 2.21

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图2

图3

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图4

图5

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