一種錫摻雜Sb2S3薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種錫摻雜Sb2S3薄膜材料及其制備方法，屬于染料敏化太陽能電池對電極制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]染料敏化太陽能電池是上世紀90年代發(fā)展起來的一種新型光伏發(fā)電器件，相比于傳統(tǒng)的光伏器件具有環(huán)境友好、制備工藝簡單、光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，特別是在低成本方面具有突出優(yōu)勢，被公認為是未來低碳經(jīng)濟中低成本太陽能利用中最具吸引力的選擇之
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[0003]對電極作為染料敏化太陽能電池的重要組成部分，主要用來收集外電路的光生電子并實現(xiàn)電解質(zhì)中三碘化物(I3 )的還原再生。由于Pt對碘電解質(zhì)具有卓越的電催化性能，目前的高性能染料敏化太陽能電池主要采用鍍Pt的導(dǎo)電玻璃作為對電極，但是由于Pt的儲量低、成本高，極大地限制了染料敏化太陽能電池的大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，研發(fā)低成本、高效率的新型對電極材料一直是該領(lǐng)域的研究熱點之一。近年來，無機化合物材料包括金屬碳化物(參見Electra.Acta雜志，2015年，第157卷，第225頁)、氮化物(參見J.Mater.Chem.A雜志，2013年，第I卷，第14350頁)、硫化物(參見Chem.Eur.J.雜志，2014年，第20卷，第8670頁)和砸化物(參見Chem.Comm.雜志，2014年，第50卷，第4475頁)在染料敏化太陽能電池對電極領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異并成為研究熱點。其中，Sb2S3在對電極方面顯示出較好的電催化性能及應(yīng)用前景(參見J.Phys.Chem.C雜志，2013年，第117卷，第10285頁)，但其導(dǎo)電性較差，且目前合成的材料通常為粉體，存在后期薄膜制備工藝較復(fù)雜、材料消耗量大的缺點，限制了其大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，提高Sb2S3薄膜的導(dǎo)電性并簡化薄膜制備工藝，是改善其染料敏化太陽能電池對電極性能進而實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用有待解決的方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種錫摻雜Sb2S3薄膜材料及其制備方法，該材料對碘電解質(zhì)具有很好的電催化性能，且制備工藝簡單可控，獲得的Sb2S3薄膜具有很好的均一性、穩(wěn)定性和透光性，可取代Pt作為新型高效的染料敏化太陽能電池對電極材料。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟:
在乙醇中逐次加入一定量的三氯化銻(SbCl3)、四氯化錫(SnCl4.4H20)、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，均勻持續(xù)攪拌一段時間后靜置。將沉淀物轉(zhuǎn)移至40-100mL的水溶液中，攪拌并將其倒入放有FTO基底(導(dǎo)電面朝下)的水熱反應(yīng)釜中，在120~180°C保溫反應(yīng)2~24小時。反應(yīng)結(jié)束后將FTO基底取出洗滌、干燥，將其放入氣氛爐中在升溫速率2~8°C/min、400~500°C下退火處理1~3小時，等待自然冷卻，即得到錫摻雜Sb2S3薄膜。
[0006]上述方案中:
SbClJ^濃度為30-50mM，SnCl 4.4Η20的濃度為l_4mM，硫脲的濃度為0.1-0.2M，PVP的質(zhì)量為0.2-0.5g，燒結(jié)氣氛為N2氣氛。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
1、通過錫摻雜提高Sb2S3薄膜的導(dǎo)電性，實現(xiàn)對Sb 2S3薄膜染料敏化太陽能電池對電極性能的改善。該薄膜具有電催化性能高、導(dǎo)電性好的優(yōu)點。在AMl.5模擬太陽光激發(fā)下，以錫摻雜Sb2S3薄膜作為對電極實現(xiàn)的最高光電轉(zhuǎn)換效率為5%，這比以未摻雜Sb 2S3薄膜作為對電極實現(xiàn)的光電轉(zhuǎn)換效率3.93%要高。因此，錫摻雜Sb2S3薄膜具有較好的對電極性能，可取代Pt作為新型高效的染料敏化太陽能電池對電極材料。
[0008]2、采用水熱方法在透明導(dǎo)電基底FTO上水熱生長錫摻雜Sb2S3薄膜，該制備工藝簡單，避免了復(fù)雜的后期成膜工藝，且原材料價格低廉，無污染。制備得到的Sb2S3薄膜具有很好的均一性、穩(wěn)定性和透光性。
【附圖說明】
[0009]圖1為實例I制備的Sb2S3薄膜XRD圖譜與標準輝銻礦PDF卡片對比圖。
[0010]圖2為實例2制備的錫摻雜Sb2S3薄膜的SEM照片。
[0011]圖3為實例2制備的錫摻雜Sb2S3薄膜的透過光譜。
[0012]圖4為以實例2制備的錫摻雜Sb2S3薄膜作為對電極測試得到的器件的J-V曲線。
[0013]【具體實施方式】:
實例I 配置SbCl3濃度為35mM、硫脲濃度為0.15M的乙醇溶液，然后加入0.4gPVP，均勻持續(xù)攪拌一段時間后靜置。將沉淀物轉(zhuǎn)移至SOmL的水溶液中，攪拌并將其倒入放有FTO基底(導(dǎo)電面朝下)的水熱反應(yīng)釜中，在120~180°C保溫反應(yīng)24小時。反應(yīng)結(jié)束后將FTO基底取出洗滌、干燥，將其放入N2氣氛爐中在升溫速率2~8 °C/min、450°C下燒結(jié)1~3小時，自然冷卻后得到結(jié)晶Sb2S3薄膜。
[0014]圖1為該實例制備的Sb2S3薄膜的XRD圖譜與標準輝銻礦PDF卡片對比圖，對比結(jié)果表明已成功通過水熱方法在FTO基底上原位合成輝銻礦Sb2S3薄膜(其中*位置代表FTO基底衍射峰)。
[0015]實例2配置SbCl3濃度為33mM、SnCl 4.4H20的濃度為2mM、硫脲濃度為0.2M的乙醇溶液，然后加入0.4gPVP，均勻持續(xù)攪拌一段時間后靜置。將沉淀物轉(zhuǎn)移至60mL的水溶液中，攪拌并將其倒入放有FTO基底(導(dǎo)電面朝下)的水熱反應(yīng)釜中，在120~180°C保溫反應(yīng)24小時。反應(yīng)結(jié)束后將FTO基底取出洗滌、干燥，將其放入N2氣氛爐中在升溫速率2~8 0C/min、450°C下燒結(jié)1~3小時，自然冷卻后得到錫摻雜Sb2S3薄膜。
[0016]圖2為該實例下制備的錫摻雜Sb2S3薄膜的SEM照片，由該圖片可以看出，Sb 2S3薄膜表面由多孔結(jié)構(gòu)組成。
[0017]圖3為以該實例下制備的錫摻雜Sb2S3薄膜的透過光譜，可以看出Sb2S3薄膜較薄，在可見光范圍具有40-50%的透光率，適于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
[0018]圖4為以該實例下制備的錫摻雜Sb2S3薄膜作為染料敏化太陽能電池對電極，在AML 5模擬太陽光照射下測試得到的器件的J-V曲線。從圖中可以計算出，錫摻雜Sb2S3薄膜器件光電轉(zhuǎn)換效率為5.0%，與未摻雜器件(3.93%)和Pt器件(5.28%)相比，證明了錫摻雜Sb2S3薄膜優(yōu)異的對電極性能，有望取代Pt作為新型高效的染料敏化太陽能電池對電極材料。
[0019] 實例3 配置SbCl3濃度為31mM、SnCl 4.4Η20的濃度為4mM、硫脲濃度為0.15M的乙醇溶液，然后加入0.5gPVP，均勻持續(xù)攪拌一段時間后靜置。將沉淀物轉(zhuǎn)移至60mL的水溶液中，攪拌并將其倒入放有FTO基底(導(dǎo)電面朝下)的水熱反應(yīng)釜中，在120~180°C保溫反應(yīng)12小時。反應(yīng)結(jié)束后將FTO基底取出洗滌、干燥，將其放入N2氣氛爐中在升溫速率2~8 0C/min、500°C下燒結(jié)1~3小時，自然冷卻后得到錫摻雜Sb2S3薄膜。
【主權(quán)項】
1.一種錫摻雜Sb 2S3薄膜材料，其特征在于:錫摻雜Sb 2S3薄膜材料的表面為多孔結(jié)構(gòu)組成，該錫摻雜Sb2S3薄膜材料的制備方法如下: 1)在乙醇中逐次加入三氯化銻、四氯化錫、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮，均勻持續(xù)攪拌均勻后靜置，得到沉淀物； 2)將上述步驟中的沉淀物轉(zhuǎn)移至40-100mL的水溶液中，攪拌并將其倒入放有FTO基底的水熱反應(yīng)釜中，其中，F(xiàn)TO基底的導(dǎo)電面朝下，在120~180°C保溫反應(yīng)2~24小時； 3)反應(yīng)結(jié)束后將FTO基底取出洗滌、干燥，將其放入氣氛爐中在升溫速率2~8°C/min、400~500°C下退火處理1~3小時，自然冷卻后得到錫摻雜Sb2S3薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錫摻雜Sb2S3薄膜材料及其制備方法，其特征在于三氯化銻、四氯化錫、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮的摩爾比為30-50:1-4:100-200:0.005-0.0125。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種錫摻雜Sb2S3薄膜材料及其制備方法：在乙醇中逐次加入一定量的三氯化銻(SbCl3)、四氯化錫(SnCl4·4H2O)、硫脲和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，均勻持續(xù)攪拌一段時間后靜置。將沉淀物轉(zhuǎn)移至一定量的水溶液中，攪拌均勻并將其倒入放有FTO基底的水熱反應(yīng)釜中進行水熱反應(yīng)。反應(yīng)結(jié)束后將FTO基底取出洗滌、干燥，放入氣氛爐中退火處理得到錫摻雜Sb2S3薄膜。本發(fā)明制備的錫摻雜Sb2S3薄膜材料具有較好的染料敏化太陽能電池對電極性能，且具有合成工藝簡單，原材料價格低廉、無污染，制備得到的錫摻雜Sb2S3薄膜均一性、穩(wěn)定性和透光性好等優(yōu)點。
【IPC分類】H01L31/18, H01L31/032, H01G9/20
【公開號】CN105023757
【申請?zhí)枴緾N201510401342
【發(fā)明人】孫盼盼, 姚方, 孫小華, 黃妞
【申請人】三峽大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月10日