本发明专利技术涉及一种染料敏化太阳能电池铜铁锗硫对电极及其制备方法，该对电极包括导电基底，导电基底表面涂覆有一层纤锌矿结构的铜铁锗硫纳米晶；而对电极的制备是通过在导电衬底上涂覆铜铁锗硫纳米晶墨水来实现。本申请制备的铜铁锗硫纳米晶是通过低温液相法合成，具有尺寸均一、结晶度高、单分散性良好等优点。该方法制备的纳米晶是纤锌矿衍生的超晶胞结构，为正交晶系。当用于染料敏化太阳能电池对电极时，对I3-离子的还原表现出良好的催化活性。与现有技术相比，本发明专利技术工艺简单，所制备的对电极催化剂不仅催化效果优异，而且价格低廉，制备方法简单，大大降低了染料敏化太阳能电池的生产成本，适合工业化大规模生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种太阳能电池领域，尤其是涉及。
技术介绍
近年来，随着能源问题的日益严峻，作为第三代太阳能电池技术之一的染料敏化太阳能电池因具有组装简单、成本较低等优势以及较高的能量转换效率等优势，引起了科研工作者广泛的关注。典型的染料敏化太阳能电池具有“三明治”结构，即由光阳极，电解质和对电极组成。这类器件的工作原理与自然界的光合作用相似。在光照下，染料分子吸收太阳光从基态变为激发态，然而激发态不稳定，通过释放出电子回到基态。释放出的电子通过二氧化钛的导带并被导电基地收集，传输到外电路并对负载做功。在对电极/电解液界面处发生催化还原反应，将氧化态的电解质还原成中性态，而基态的电解质进一步扩散至光阳极并将氧化态的染料分子还原，从而完成一个循环。由此看出，对电极是染料敏化太阳能电池中的重要组成成分，它不仅是外电路电子流通的媒介，更重要的作用在于将氧化态的电解质还原成基态，保证染料分子的再生。理想的对电极材料应具备以下条件:(1)具有高的电子催化活性，利于催化13—离子还原成I—; (2)电子转移的阻力小；(3)在电解质的环境下，具有良好的电化学稳定性。当前广泛用于的对电极是表面镀有一层铂的导电玻璃，而由于铂金属的成本、丰度及长期稳定性等因素的影响，限制了大规模的工业化应用。因此，取代贵金属铂在染料敏化太阳能电池领域的应用成为一项重要的工作。截止目前，研究人员制备了一系列的非铂对电极材料，如碳材料(Angew.Chem.1nt.Ed.2013 ,52 ,3996 ;Energy Environ.Sc1.2009 , 2,426)，有机聚合物(J.Mater.Chem.2012,22,21624),氧化物(Chem.Commun.2013,49,5945 ；ChemSusChem2014,7,442),氮化物(ChemSusChem 2013,6,261)及金属硫属化合物(J.Am.Chem.Soc.2012,134,10953;Angew.Chem.1nt.Ed.2013，52，6694)等。常用的制备方法包括刮涂(Chem.Eur.J.2015，do1: 10.1002/chem.201406124)，原位生长(Chem.Commun.2014，50，4824; Chem.Commun.2015 ,51，1846)，电化学沉积(Chem.Eur.J.2014，20，474)和滴涂(Chem.Eur.J.2013,19,10107)等。中国专利CN104835649A公布了一种染料敏化太阳能电池硫化银对电极的制备方法，包括:制备硫化银纳米晶；将硫化银纳米晶溶于溶剂中，经超声分散处理得到硫化银纳米晶墨水;将硫化银纳米晶墨水涂覆于基底上，对基底进彳丁热处理，制得染料敏化太阳能电池硫化银对电极。然而，这些常见二元半导体数量有限，而且性质参数都是固定的，往往不能满足染料敏化太阳能电池理想对电极材料的要求。例如，Ag2S、CoS、Ni S等半导体的带边位置是确定的，因而其导电性以及材料表面的物理化学性质也随着固定，因而难以进一步提升其对I3—电对的电催化活性。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种性能优异、制备简单、适合大规模工业化生产的染料敏化太阳能电池铜铁锗硫对电极及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现:—种染料敏化太阳能电池铜铁锗硫对电极，包括导电基底，导电基底表面涂覆有一层纤锌矿结构的铜铁锗硫纳米晶。所述的铜铁错硫纳米晶的粒径为10?lOOnm，铜铁错硫纳米晶层的厚度为0.01?ΙΟμ??ο 所述的导电基底包括FT0、ΙΤ0、不锈钢、柔性导电高分子或石墨。所述的纤锌矿结构的铜铁锗硫纳米晶的制备方法包括以下步骤:(1)将铜盐、铁盐、锗源、表面活性剂和溶剂混合，抽真空除水除氧，磁力搅拌，加热到60?120°C并维持0.5?3小时使反应物充分溶解，然后将整个反应体系通入保护气；(2)将上述反应体系加热到130?160°C，迅速注入硫源，之后进一步将体系加热到200?280°C，并保持0.5?6小时；(3)待反应结束，自然冷却至室温，加入破乳剂后进行固液分离操作，得到的沉淀即为铜铁锗硫纳米晶。所述的步骤(1)中的加热温度为100°C；所述的步骤(2)中将步骤(1)得到的反应体系加热到140°C，注入硫源后加热到280°c；所述的步骤(3)中的破乳剂为无水乙醇；固液分离采用8000rpm的转速离心分离。所述的铜盐、铁盐、锗源与硫源的摩尔比为:(2?2.2): (1?1.2): (1?1.2): (4?4.2)0所述的铜盐选自硝酸铜、醋酸铜、乙酰丙酮铜、氯化铜、氯化亚铜或溴化铜中的一种或多种；所述的铁盐选自乙酰丙酮铁、二氯化铁、硝酸铁、醋酸铁或硫酸铁中的一种或多种；所述的锗源选自四氯化锗、氧化锗或锗粉中的一种或多种； 所述的硫源选自升华硫、正十二硫醇、叔十二硫醇、硫代乙酰胺、二硫化碳或硫化钠中的一种或多种；所述的溶剂选自正辛胺、十二胺、十六胺、油胺、十八胺、油酸、二苯醚中的一种或几种；所述的表面活性剂选自三辛基氧化膦、1，2-十二烷二醇、三辛基膦、正十二硫醇、叔十二硫醇中一种或几种。—种染料敏化太阳能电池铜铁锗硫对电极的制备方法，包括以下步骤:(a)将铜铁锗硫纳米晶溶于非极性溶剂中，经超声分散处理后得到铜铁锗硫纳米晶墨水；(b)将铜铁锗硫纳米晶墨水涂覆在导电基底表面，然后进行热处理，制得染料敏化太阳能电池铜铁锗硫对电极。所述的步骤(a)还可以采用短链配体对铜铁锗硫纳米晶进行表面配体替换，使铜铁锗硫纳米晶表面携带亲水基团，然后溶于极性溶剂中，经超声分散处理后得到极性溶剂分散的铜铁锗硫纳米晶墨水;所述的短链配体包括多硫化铵、乙二硫醇、正丁胺、吡啶或正己酸。所述的铜铁锗硫纳米晶墨水的浓度为1?200mg/mL;所述的步骤(a)中的非极性溶剂包括三氯甲烷、正己烷或二氯甲烷；所述的步骤(b)中的涂覆方法包括浸涂、旋涂、刮涂、喷墨打印或丝网印刷，涂覆次数为1?10次；所述的步骤(b)中的热处理为在氮气、氦气或氩气气氛及常压条件下，控制温度为100?500°C加热0.5?10小时。通过对二元硫化物进行合理的离子替换，可得到一系列新型的多元硫化物，这些新型硫化物不仅性质与“父辈”的二元硫化物保持一定的继承关系，如电子结构、半导体特征等，而且提供了丰富可变的性质，如价带位置、导电性等，这为设计低成本、高活性硫属化合物对电极提供了新的契机。铜铁锗硫是一种新型的铜基锗基四元硫化物，其禁带宽度与半导体太阳电池所要求的最佳禁带宽度(1.5eV)十分接近，并且具有较大的吸收系数，是一种有用的光吸收材料。铜铁锗硫存在两种晶体结构:黄锡矿(低温相)和纤锌矿(高温相)。黄锡矿向纤锌矿通常需要在700°C以上才能发生，这意味着使用传统的高温熔融法，只有温度达到700°C以上才能制备纤锌矿铜铁锗硫纳米晶。具有纤锌矿的多元硫化物比黄锡矿多元硫化物具有更好的13 一催化活性，这意味着亚稳态纤锌矿衍生的多元硫化物更适合作为DSSCs对电极催化材料。纤锌矿结构的CZTS比锌黄锡矿结构的CZTS具有更高的载流子浓度和较低的电阻率，因而更加符合高效染料敏化太阳能电池的对电极要求。但是，目前关于纤锌矿结本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种染料敏化太阳能电池铜铁锗硫对电极，包括导电基底，其特征在于，导电基底表面涂覆有一层纤锌矿结构的铜铁锗硫纳米晶。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄守双，宰建陶，钱雪峰，何青泉，马对，李晓敏，李波，王敏，刘雪娇，刘园园，张洋，张敏敏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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