S對電極及其製備和應用的製作方法

2023-05-03 20:25:36 3

S對電極及其製備和應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極及其製備和應用，對電極僅由導電基片和CuxS薄膜組成，其製備方法包括：通過磁控濺射技術在洗淨、烘乾後的導電基片表面上沉積銅膜；配製多硫化物溶液；將含銅膜的導電基片浸在多硫化物溶液中進行反應，洗滌和乾燥後即得。本發明的工藝路線簡便，成本低廉，製得的CuxS薄膜均勻且與導電基片的結合性好，極大地改善了對電極的性能，應用在量子點敏化太陽能電池中有較好的光電轉換性能，具有潛在的應用前景。
【專利說明】-種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極及其製備和 應用

【技術領域】
[0001] 本發明屬於太陽能電池的對電極及其製備和應用領域，特別涉及一種用於量子點 敏化太陽能電池的Cu xs對電極及其製備和應用。

【背景技術】
[0002] 太陽能是最有希望在21世紀得到廣泛應用的能源之一，在其利用中，太陽電池發 電最受矚目，它具有轉化環節少、資源蘊含量取之不盡、能源質量高、建設周期短、發電方式 接近零排放等優勢。以無機半導體量子點作為敏化劑的敏化太陽能電池具備低成本和高理 論轉化率等優點，目前受到人們的廣泛關注，被稱為第三代太陽能電池。目前國際上大部 分研究中量子點太陽能電池的常用電解質為s 27s，多硫電解質。Pt是敏化太陽能電池中 最常用的對電極，但是在s27s，多硫電解質體系中，Pt和其它貴金屬對電極的催化活性較 低。因此，研究和開發廉價高效的非Pt對電極是敏化太陽能電池研究的熱點。
[0003] 金屬硫化物如PbS、CoS、CuS、Cu2S等作為量子點敏化太陽能電池的對電極有優良 的催化性能，其中以CuS和Cu 2S(CuxS)對電極的性能更佳。研究者常採用銅片腐蝕法製備 CuxS對電極，相對於傳統的鉬對電極而言，量子點敏化太陽能電池的光電轉換效率有明顯 的提高，但是這種方法製備的Cu xS層容易脫落、電池不易封裝、銅片基體受多硫化物電解質 腐蝕而導致穩定性較差等缺點。也有通過電化學沉積、化學水浴沉積等方法製備Cu xS對電 極，但製備過程較複雜且製得的CuxS層不均勻。


【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題是提供一種用於量子點敏化太陽能電池的Cuxs對電 極及其製備和應用，本發明製備工藝路線簡單，成本低廉，製得的Cu xS薄膜均勻且與導電基 片的結合性好，極大地改善了對電極的性能。
[0005] 本發明的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極，所述對電極包括導電基 片和Cu xS薄膜；X值為1.0-2. 0 ;其中導電基片為金屬或透明導電玻璃。
[0006] 所述金屬為Ti、Pt、不鏽鋼中的一種；透明導電玻璃為摻F的Sn02(FT0)或摻Sn的 In 203 (IT0)玻璃。
[0007] 本發明的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方法，包括：
[0008] (1)通過磁控濺射方法在洗淨、烘乾後的導電基片表面上沉積銅膜；其中磁控濺 射方法的具體工藝為：用99. 99%的高純Cu靶作為Cu膜沉積的濺射靶，調節導電基片與靶 材的距離，對濺射室抽真空後，通入氬氣；打開電源，進行濺射，得到Cu膜導電基片；
[0009] (2)室溫下，在溶劑中加入單質硫、硫化物，攪拌即得多硫化物溶液；
[0010] (3)將Cu膜導電基片浸入多硫化物溶液中反應20s?20min，洗滌，烘乾，得到CuxS 對電極。
[0011] 所述步驟（1)中洗淨為：依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗5?45min ;烘 幹為：40°C的真空乾燥箱中烘乾。
[0012] 所述步驟（1)中導電基片與靶材的距離為13-15CH1;抽真空後的真空度小於 1. 0Xl(T4Pa ;通入氬氣的速率為80-100cm3/min，氬氣的純度為99. 99%。
[0013] 所述步驟（1)中濺射為採用直流濺射，濺射功率為75W，濺射時間為20s?20min。
[0014] 所述步驟⑵中溶劑為甲醇、乙醇、去離子水中的一種或兩種；單質硫的形態為： 沉降流、升華硫、精製硫中的一種或幾種；硫化物為硫化納、硫化鍾、硫化按中的一種或幾 種。
[0015] 所述步驟⑵中多硫化物溶液中單質硫的濃度為0. 1?3. Omol/L ;硫化物的濃度 為0? 1?3. Omol/L ;攬拌時間為0? 5?8h。
[0016] 所述步驟（3)中洗滌為甲醇、乙醇、去離子水中的一種或幾種洗滌2-5次；烘乾為： 100°C 烘乾 l_2h。
[0017] 本發明的一種用於量子點敏化太陽能電池的Cuxs對電極的應用，其特徵在於： Cu xS對電極與CdS/CdSe/Ti02共敏化光陽極、多硫化物電解質組裝成量子點敏化太陽能電 池。
[0018] 有益效果
[0019] 本發明的製備工藝路線簡便，成本低廉，製得的CuxS薄膜均勻且與導電基片的結 合性好，極大地改善了對電極的性能；所製備的對電極僅由CuxS膜層和導電基片組成，與 CdS/CdSe/Ti0 2共敏化光陽極、多硫化物電解質組裝成的量子點敏化太陽能電池，在標準模 擬太陽光照射下有較好的光電轉換性能，具有潛在的應用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是以透明導電玻璃為基片，在濺射功率為75W、濺射時間為2min後獲得的Cu 膜及經過反應後得到的Cu xS膜的場發射掃描電鏡照片；其中（a)Cu膜；(b)CuxS膜；
[0021] 圖2是以透明導電玻璃為基片，在濺射功率為75W、濺射時間為2min後獲得的Cu 膜及經過反應後得到的Cu xS膜的X射線衍射譜圖；其中（a)導電玻璃；(b)Cu膜；（c)CuxS 膜。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用於說明本發明 而不用於限制本發明的範圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之後，本領域技術人 員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落於本申請所附權利要求書所限定 的範圍。
[0023] 實施例1
[0024] 將FT0導電基片依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗15min，之後放入40°C 的真空乾燥箱中烘乾後放入磁控濺射室內，用99. 99 %的高純Cu靶作為Cu膜沉積的濺射 靶，調節基片與靶材的距離為15cm ;利用機械泵、分子泵對濺射室抽真空，使其真空度小於 1. OX l(T4Pa，通入80cm3/min純度為99. 99%以上的氬氣；打開直流濺射電源，控制濺射功 率為75W，濺射時間分別為lmin，2min，3min，得到不同濺射時間的Cu膜，記作Cu(l)/FT0、 Cu(2)/FT0、Cu(3)/FT0。室溫下，在去離子水/甲醇（體積比為7/3)混合溶劑中加入單質 沉降硫、硫化鈉，攪拌4h後即得到多硫化物溶液，其中單質硫的濃度為1. Omol/L，硫化鈉的 濃度為1. 〇mo 1/L。將不同濺射時間下製得的Cu/FTO浸在多硫化物溶液中反應2min，然後用 甲醇多次洗滌，在l〇〇°C的真空乾燥箱中烘乾2h後得到Cu xS/FT0對電極，分別用CuxS(l)/ FTO、CuxS (2) /FTO、CuxS (3) /FT0 表示。
[0025] 將上述實施例的CuxS/FT0對電極組裝成量子點敏化太陽能電池，進行光電轉 化性能測試，其中光陽極為採用刮塗法製備的納米Ti0 2(P25)多孔膜（M. GnHtzel，et al. Science, 2011，334, 629.)。量子點為連續離子層吸附反應法（SILAR)製備的CdS和CdSe 共敏化劑（Q.Wang，et al.ACS Nano,2011，4,3172.)。電解液為 2M沉降硫、2M硫化鈉、0. 2M 氯化鉀的水溶液。作為對比，在FT0導電玻璃上沉積了鉬（熱解法）對電極，各種對電極用 於量子點敏化太陽能電池的光電轉換性能如表1所示。
[0026] 結果表明，利用磁控濺射方法製備的Cu膜和CuxS膜均勻（如圖1所示），與導電 玻璃結合力較好且不易脫落；Cu膜與多硫化物反應後得到的Cu xS相（如圖2所示），主要由 CuS、Cu2S構成；給定濺射條件下，當濺射時間為2min (銅膜厚度約為0. 45 y m)獲得的CuxS/ FT0對電極組裝的CdS/CdSe量子點共敏化太陽能電池在標準模擬太陽光照射下具有較佳 的光電轉換性能，其開路電壓為〇. 48V，短路光電流密度為16. 47mA/cm2,填充因子為0. 46， 光電轉換效率達到3. 67 %。與鉬對電極相比，有較高的短路光電流密度和光電轉換效率，如 表1所示。
[0027] 表 1
[0028]

【權利要求】
1. 一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極，其特徵在於：所述對電極包括導電 基片和CuxS薄膜；X值為1.0-2. 0 ;其中導電基片為金屬或透明導電玻璃。
2. 根據權利要求1所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極，其特徵在 於：所述金屬為Ti、Pt、不鏽鋼中的一種；透明導電玻璃為摻F的Sn02FT0玻璃或摻Sn的 In203IT0 玻璃。
3. -種如權利要求1所述的用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方法，包 括： (1) 用99. 99%的高純Cu靶作為Cu膜沉積的濺射靶，通過磁控濺射方法在洗淨、烘乾 後的導電基片表面上沉積銅膜，得到Cu膜導電基片； (2) 室溫下，在溶劑中加入單質硫、硫化物，攪拌即得多硫化物溶液； (3) 將Cu膜導電基片浸入多硫化物溶液中反應20s?20min，洗滌，烘乾，得到CuxS對 電極。
4. 根據權利要求3所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方 法，其特徵在於：所述步驟（1)中洗淨為：依次用丙酮、無水乙醇、去離子水超聲清洗5? 45min ;烘乾為：40°C的真空乾燥箱中烘乾。
5. 根據權利要求3所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方法， 其特徵在於：所述步驟（1)中導電基片與靶材的距離為13-15cm。
6. 根據權利要求3所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方 法，其特徵在於：所述步驟（1)中濺射為採用直流濺射，濺射功率為75W，濺射時間為20s? 20min〇
7. 根據權利要求3所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方法， 其特徵在於：所述步驟（2)中溶劑為甲醇、乙醇、去離子水中的一種或兩種；單質硫的形態 為：沉降流、升華硫、精製硫中的一種或幾種；硫化物為硫化納、硫化鍾、硫化按中的一種或 幾種。
8. 根據權利要求3所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方法， 其特徵在於：所述步驟（2)中多硫化物溶液中單質硫的濃度為0. 1?3. Omol/L ;硫化物的 濃度為〇? 1?3. Omol/L ;攪拌時間為0? 5?8h。
9. 根據權利要求3所述的一種用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的製備方法， 其特徵在於：所述步驟（3)中洗滌為甲醇、乙醇、去離子水中的一種或幾種洗滌2-5次；烘 幹為：100°C烘乾l_2h。
10. -種如權利要求1所述的用於量子點敏化太陽能電池的CuxS對電極的應用，其特 徵在於：仏^對電極與CdS/CdSe/Ti02共敏化光陽極、多硫化物電解質組裝成量子點敏化太 陽能電池。
【文檔編號】H01G9/20GK104409218SQ201410696484
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】李耀剛, 王遠強, 王宏志, 張青紅 申請人:東華大學