一種摻雜銅硫銦納米晶的多孔碳納米纖維染料敏化太陽能電池對(duì)電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太陽能電池領(lǐng)域，設(shè)及一種負(fù)載銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維電極 材料及其制備方法。具體設(shè)及一種可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池對(duì)電極的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著世界經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)能源的需求越來越多，而石油，煤等不 可再生的化石能源的地質(zhì)儲(chǔ)量逐漸消耗殆盡，由此帶來的環(huán)境問題也日漸顯現(xiàn)。因此，開 發(fā)新能源成為人類可持續(xù)發(fā)展所要解決的重要問題。在各種可再生能源中，太陽能，因?yàn)槠?豐富的資源，綠色清潔，利用成本低且不受地理?xiàng)l件限制等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。染料敏化太陽 能電池自1991年首次問世W來，W其低成本、相對(duì)較高的光電轉(zhuǎn)換效率和簡單的制造工藝 等優(yōu)點(diǎn)吸引了人們廣泛的關(guān)注和研究興趣。
[0003] 染料敏化太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)包括光陽極、染料分子、電解質(zhì)、對(duì)電極等部分。 對(duì)電極是染料敏化太陽能電池的關(guān)鍵組成部分之一。其基本工作原理為：（1)染料被激 發(fā)后，產(chǎn)生光生載流子；（2)光生載流子注入到光陽極的導(dǎo)帶中；（3)光陽極導(dǎo)帶中的電 子在傳輸?shù)綄?dǎo)電基底后進(jìn)入到外部回路；(4)外部回路的電子由對(duì)電極收集并，同時(shí)還原 13-離子；（5)I-離子擴(kuò)散到光陽極處還原氧化態(tài)染料使染料獲得再生。一般來說，對(duì)電極 材料需要具備W下幾個(gè)條件：①良好的穩(wěn)定性，不與電解質(zhì)中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；②良好 的導(dǎo)電性；③對(duì)電解質(zhì)具有較好的催化能力。目前染料敏化太陽能電池最常用的為銷對(duì) 電極，盡管銷電極的優(yōu)點(diǎn)很多，性能很優(yōu)異，但是銷電極的價(jià)格過于昂貴，幾乎占到了整個(gè) 電池成本的60 %。因此，開發(fā)低成本高效的對(duì)電極材料，對(duì)于染料敏化太陽能電池的推廣 具有重要意義。目前，研究比較多的非銷催化材料主要有碳素材料、導(dǎo)電聚合物和過渡金屬 的碳化物、硫化物及氮化物等。其中，銅硫銅作為一種典型的硫?qū)倩衔?，具有?yōu)越的催化 性能和電子傳輸性能，已經(jīng)比較成功的作為了染料敏化太陽能電池的對(duì)電極材料。
[0004] 靜電紡絲是一種基于高壓靜電場(chǎng)下導(dǎo)電流體產(chǎn)生高速噴射原理發(fā)展而來的不同 于常規(guī)方法的紡絲技術(shù)，所紡納米纖維具有較細(xì)的直徑和較大的比表面積。本發(fā)明利用靜 電紡絲技術(shù)和碳化方法相結(jié)合，制備了一種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維材料，應(yīng) 用于染料敏化太陽能電池對(duì)電極，該材料具有極細(xì)的尺度，較小的纖維孔徑和極高的比表 面積，是作為染料敏化太陽能電池對(duì)電極的有效材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為染料敏化太陽能電池提供一種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納 米纖維材料及其制備方法。通過聚丙締臘和銅硫銅前軀體的共混溶液進(jìn)行靜電紡絲，利用 溶劑不同的揮發(fā)速度，得到多孔的納米纖維，經(jīng)高溫碳化得到滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳 納米纖維對(duì)電極材料。該材料具有豐富的孔隙，纖維中滲雜的銅硫銅納米晶能夠?yàn)殡娊鈱?duì) 的氧化還原反應(yīng)提供更多的催化活性位點(diǎn)。
[0006] 本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：一種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維材料，可應(yīng) 用于染料敏化太陽能電池的對(duì)電極。該材料由多孔的碳納米纖維和銅硫銅納米晶組成，孔 隙率為40% -80%，碳和銅硫銅的質(zhì)量比為1 :0.2-1.0,銅硫銅納米晶的尺寸為0. 5納米一 3. 0納米。所述多孔碳纖維的直徑為100納米一400納米，孔隙尺寸為0. 2納米一2. 0納米。
[0007] 制備運(yùn)種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維材料的方法，采用如下步驟： (1)W二甲基甲酯胺和氯仿的混合溶液為溶劑，二甲基甲酯胺和氯仿的質(zhì)量比為9.0- 2. 0:1，按照化：In:S原子的摩爾比1 : 1-4 : 2-6,向溶劑中加入氯化銅（化C12)，氯 化銅（InCls)和硫脈（CN2H4S)，在40°C-100°C下攬拌化一lOh，得到銅硫銅的前驅(qū)液； (2) 向步驟（1)所得銅硫銅的前驅(qū)液中加入聚丙締臘粉末，在60°C-9(rC下攬拌化一 7h，得到紡絲溶液，所述的聚丙締臘的分子量為50000-150000,聚丙締臘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5%-15%； (3) 對(duì)步驟（2)所得紡絲溶液進(jìn)行靜電紡絲，得到含有銅硫銅前驅(qū)體的納米纖維拉，紡 絲電壓：10kV-30kV，紡絲溫度：20°C-25 °C，接收距離：10cm- 50cm; (4) 將步驟（3)所得納米纖維在240 °C-300°C溫度下進(jìn)行預(yù)氧化，時(shí)間化一lOh。然后 將預(yù)氧化得到的納米纖維于氣氣氛圍下800°C-110(rC碳化2-化，升溫速率：2°C/min-10°C/min,得到負(fù)載銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維； (5) 將步驟（4)所得滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維，利用含有炭黑的乙基纖維素 溶液粘結(jié)到導(dǎo)電玻璃基底，得到可用于染料敏化太陽能電池的對(duì)電極材料，所述的乙基纖 維素溶液的濃度為2% -15%，炭黑的含量為5% - 20%。
[000引與現(xiàn)有的染料敏化太陽能電池的對(duì)電極材料及其制備方法相比，本發(fā)明具有W下 優(yōu)點(diǎn)： (1) 本發(fā)明得到的負(fù)載銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維，具有超細(xì)的直徑和極小的孔 隙尺寸，極大的比表面積和孔隙率，有利于電解液的滲透和電子的快速傳輸。其滲雜的銅硫 銅納米晶能夠?yàn)殡娊鈱?duì)的氧化還原反應(yīng)提供更多的催化活性位點(diǎn)，進(jìn)而得到更高的光電轉(zhuǎn) 換效率； (2) 本發(fā)明利用簡單的靜電紡絲法和碳化工藝，整個(gè)制作過程簡便易操作，工藝簡單， 成本低廉，對(duì)環(huán)境友好。
【附圖說明】
[0009] 圖1為滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維的放大倍數(shù)為3萬倍SEM照片； 圖2為滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維的放大倍數(shù)為10萬倍SEM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 下面結(jié)合實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。
[0011]一種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維材料，可應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的 對(duì)電極。該材料由多孔的碳納米纖維和銅硫銅納米晶組成，孔隙率為40% - 80%，碳和銅硫 銅的質(zhì)量比為1 :〇. 2-1. 0,銅硫銅納米晶的尺寸為0. 5納米一3. 0納米。所述多孔碳纖維的 直徑為100納米一400納米，孔隙尺寸為0. 2納米一2. 0納米。 陽〇1引實(shí)施例1 一種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維材料的制備方法，采用如下步驟： (1) W二甲基甲酯胺和氯仿的混合溶液為溶劑，二甲基甲酯胺和氯仿的質(zhì)量比為9 :1。 按照化：In:S原子的摩爾比1 : 1 : 3,向溶劑中加入氯化銅（化化），氯化銅（InCU 和硫脈（CN2H4S)，在40°C下攬拌3h，得到銅硫銅的前驅(qū)液； (2) 向步驟（1)所得銅硫銅的前驅(qū)液中加入聚丙締臘粉末，在60°C下攬拌3h，得到紡 絲溶液。所述的聚丙締臘的分子量為50000,聚丙締臘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%; (3) 對(duì)步驟（2)所得紡絲溶液進(jìn)行靜電紡絲，得到含有銅硫銅前驅(qū)體的納米纖維拉，紡 絲電壓：10kV，紡絲溫度：20°C，接收距離：10cm; (4) 將步驟（3)所得納米纖維在240 °C溫度下進(jìn)行預(yù)氧化，時(shí)間化。然后將預(yù)氧化得 到的納米纖維于氣氣氛圍下800°C碳化化(升溫速率：2°C/min)。得到負(fù)載銅硫銅納米晶 的多孔碳納米纖維； (5) 將步驟（4)所得滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維，利用含有炭黑的乙基纖維素 溶液粘結(jié)到導(dǎo)電玻璃基底，得到可用于染料敏化太陽能電池的對(duì)電極材料，所述的乙基纖 維素溶液的濃度為2%，炭黑的含量為5〇/〇。
[0013] 表1顯示了負(fù)載銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維作對(duì)電極材料的染料敏化太陽能電 池的光伏參數(shù)，其表面形態(tài)結(jié)構(gòu)的高倍和低倍SEM照片如圖1 (圖中放大倍數(shù)為3萬倍和 10萬倍）所示，由圖1可W看出，碳納米纖維表面呈多孔形態(tài)，且均勻地負(fù)載著銅硫銅納米 顆粒。
[0014] 實(shí)施例2 一種滲雜銅硫銅納米晶的多孔碳納米纖維材料的制備方法，采用如下步驟： (1) W二甲基甲酯胺和氯仿的混合溶液為溶劑，二甲基甲酯胺和氯仿的質(zhì)量比為7 :1。 按照化：In:S原子的摩爾比1 : 2 : 3,向溶劑中加入氯化銅（化化），氯化銅（InCU 和硫脈（CN2H4S)，在60°C下攬拌