基于硫化镍的染料敏化太阳能电池光伏性能研究_刘磊.pdf

第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023收稿日期:20220630修改日期:20220930Photovoltaic Performance of Dye-Sensitized Solar Cells Based on Nickel SulfideLIU Lei1，2*，CAO Chuanxu1，MA Chaoqun3，TENG Junzhou1，JIANG Qingsong1，2，ZHU Yufu3(1Faculty of Electronic Information Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai an Jiangsu 223003，China;2Jiangsu Engineering Laboratory of Lake Environment emote Sensing Technology，Huaiyin Institute of Technology，Huai an Jiangsu 223003，China;3School of Mechanical and Material Engineering，Huaiyin Institute of Technology，Huai an Jiangsu 223003，China)Abstract:In a typical dye-sensitized solar cell，a platinum-based counter electrode is used to collect electrons from the external circuitand catalyze the reduction of the oxidized state electrolyte However，because platinum is a precious metal，it is necessary to develop in-expensive materials for counter electrodes to reduce production costs The low temperature deposition technique is a simple preparationmethod，and its main advantage is that it can be direct deposited on the conductive substrate without high temperature heating to preparethe nickel sulfide film with excellent catalytic performance，and then direct used as the counter electrode of dye-sensitized solar cellsThe results indicate that the optimal photoelectric conversion efficiency of dye-sensitized solar cells based on nickel sulfide counter elec-trode reaches 612%，which is very close to that of dye-sensitized solar cells based on platinum counter electrode(616%)This makesthe nickel sulfide counter electrode a competitive alternative to the platinum counter electrode Therefore，this experiment also provides amethod for the preparation of cheap and efficient counter electrodes for dye-sensitized solar cellsKey words:dye-sensitized solar cells;counter electrode;nickel sulfide;power conversion efficiencyEEACC:0520;8420doi:103969/jissn10059490202301039基于硫化镍的染料敏化太阳能电池光伏性能研究刘磊1，2*，曹传旭1，马超群3，腾钧舟1，蒋青松1，2，朱雨富3(1淮阴工学院电子信息工程学院，江苏 淮安 223003;2淮阴工学院江苏省湖泊环境遥感技术工程研究中心，江苏 淮安 223003;3淮阴工学院 机械与材料工程学院，江苏 淮安 223003)摘要:在典型的染料敏化太阳能电池中，基于铂金属的对电极用于收集外电路的电子，并催化氧化态电解质还原。然而，由于铂金属为贵金属，因此需要开发廉价材料的对电极，从而降低生产成本。低温沉积法是一种简单的制备方法，它的主要优点是，在不需要高温加热的条件下，可以直接在导电衬底上沉积，制备出拥有优异催化性能的硫化镍薄膜，然后直接用作染料敏化太阳能电池的对电极。结果显示，基于硫化镍薄膜对电极的染料敏化太阳能电池的最佳光电转换效率为 612%，这与基于铂对电极的染料敏化太阳能电池的转换效率(616%)非常接近。上述实验结果表明低温沉积法制备的硫化镍薄膜具有优异的电催化性能，有利于染料敏化太阳能电池的光伏性能提升。关键词:染料敏化太阳能电池;对电极;硫化镍;光电转换效率中图分类号:TP9144+2文献标识码:A文章编号:10059490(2023)01023807染料敏化太阳能电池(DSSCs)是传统硅基太阳能电池最有前途的替代品之一。虽然传统硅基太阳能电池发展已经趋于成熟，但是由于其制备成本高，生产工艺较为复杂等缺点限制了其发展1。而 DSSCs 作为第三代太阳能电池，由于其经济又环保的优势，越来越受到工业界和科学界的关注2。DSSCs 主要由含有氧化还原对的电解质、对电极和吸附染料的半导体薄膜组成的光阳极构成3。其中，对电极作为染料敏化太阳能电池的关键组成部分，有着不可替代的作用。对电极的工作原理是从外电路中收集电子，完成对电解液中处于氧化态的氧化还原电对的还原，促使氧化态的染料分子也被还原，从而实现染料分子再生，保证染料分子能够不断产生电子，推动整个光电化学反应的循环过程。通常对对电极的评价，主要是看其是否拥有优异的催化活性，能够完成对电解液中氧化还原电对的还原。除此之外，另一个关键就是对电极的电导性。一般 情 况 下，电 荷 传 输 电 阻 在 2 cm2到3 cm2之间，串联电阻小于 20 sq1，光学透过率第 1 期刘磊，曹传旭等:基于硫化镍的染料敏化太阳能电池光伏性能研究在550 nm 波长下为 80%，以上具体的参数指标就是理想的对电极需要满足的条件4。至今为止，国内外的科研团队已经研发了很多新型对电极材料，包括无机物、导电聚合物、碳材料和合金材料等58。已经成功制备掺杂氧化锌的石墨烯、多孔聚苯胺纳米管、三氧化钨以及碳纳米纤维等对电极材料，但是它们大部分都存在电催化性较低、稳定性能差等缺点。在这之中，金属铂(Pt)以较高的电导率、良好的稳定性以及优异的催化活性而受到广泛关注，因此成为对电极的常用材料。但是，Pt 不仅容易被含碘的液态电解质腐蚀，长期与其接触后还会分解形成 PtI4和 HZPtI9 6，生成的这两种物质是有害物质，不符合绿色环保的要求。而且，由于 Pt 为贵金属，也会增加 DSSCs 的生产成本10。因此，寻找并研发能代替 Pt 的高性能且稳定的对电极材料，是目前很多学者和科研团队的主要目标。近年来，过渡金属硫化物因其稳定性好、导电性和催化活性优异，受到广泛关注。目前已经开始应用于存储装置和能量转换领域，已探究了纳米晶、多孔结构、中空结构、纳米片等多种形貌与物相的钴/镍基硫化物对电极。例如，NiS 薄膜具有较高的电催化活性，导致 NiS 对电极的染料敏化太阳能电池比 Pt(666%)的光电转换效率高 695%11;基于NiS 多孔结构对电极的染料敏化太阳能电池光电转换效率比基于 Pt 电极的电池效率提高了 7%12。基于这类硫化物对电极材料的 DSSCs 拥有着不错的光伏性能，其中基于硫化镍纳米片对电极的DSSCs 的光电转换效率达到了 708%(基于 Pt 电极的电池效率为 701%)。低温沉积法采用简单的试剂和简单的步骤制备对电极材料，不仅可以均匀地沉积整个金属硫化物薄膜，而且不需要使用复杂的耗能过程，符合可持续发展战略需求13。综上所述，对于用低温沉积法来合成硫化物薄膜，并将此硫化物薄膜作为对电极应用到DSSCs 中，来提高器件填充因子的相关报道很少。进一步设计构造金属硫化物的形貌和物相以提高催化性能以及填充因子仍是一个富有挑战性的研究方向。本实验将以乙醇为溶剂，采用低温沉积法在FTO 导电玻璃表面制备硫化镍薄膜，并作为对电极应用到染料敏化太阳能电池中，旨在探索硫化镍对电极对 DSSCs 光伏性能影响。1实验方法11材料本研究工作中所使用的化学品均为试剂级。乙醇为整个实验的溶剂。六水合氯化镍、硫代乙酰胺、N719(二(四丁基铵)顺式双(异硫氰基)双(2，2联吡啶4，4二羧酸)钌()、TiO2浆料(购自武汉晶格太阳能科技有限公司，粒径约为 20 nm)、电解液(050 mol/L 4叔丁基吡啶的乙腈溶液，050 mol/LLiI，030 mol/L 1，2二甲基3 丙基咪唑碘，005 mol/LI2，购自武汉晶格太阳能科技有限公司)。FTO 导电玻璃用作制备光阳极和对电级的基底。12硫化镍对电极的制备采用低温沉积法制备硫化镍对电极薄膜:首先配置 01 M 的硫化镍溶液，称取 0356 5 g 六水合氯化镍放入称量瓶中，然后再称取 0112 7 g 硫代乙酰胺放入称量瓶中，接着用移液枪称量 15 mL 无水乙醇，加入称量瓶中。然后将混合溶液放置到磁力搅拌器上搅拌 20 min，接着再超声溶解 10 min，之后摇晃 10 次称量瓶使得溶液完全溶解。在称量瓶中放入一块 FTO 导电玻璃，使之导电面朝下倚靠在称量瓶的瓶壁。最后用封口膜将称量瓶封住，将称量瓶放到鼓风干燥箱中，在80 的环境下加热 6 h，完成后用乙醇清洗表面，在室温下自然风干，即可得到硫化镍薄膜对电极。13染料敏化太阳能电池(DSSCs)组装制备的硫化镍薄膜作为染料敏化太阳能电池的对电级与采用标准铂作为染料敏化太阳能电池的对电级形成对比。光阳极的制备以 FTO 导电玻璃为基片，采用两层 3M Scoth 胶带作为厚度控制层，使用TiO2浆料进行刮涂，经过热处理即可获得 TiO2半导体薄膜。然后将制备的半导体薄膜进行敏化，即在60 下加热12 h(染料敏化剂通常采用N719，配置浓度为 05 mm/L)，完成后就得到了光阳极。在孔径为02 m2的遮光板上放置光阳极，然后滴加电解液，将制备的硫化镍对电极放到光阳极上，组装成 DSSCs。14表征与测试采用型号为 FEI Quanta FEG 250 的扫描电子显微镜(Scanning Elctron Microscope，SEM)表征硫化镍薄膜的表面形貌。采用型号为 PHI 5000 VersaProbe的 X 射线光电子能谱仪(X-ray Photoectron Spec-troscope，XPS，ULVAC-PHI，Inc)表征硫化镍薄膜的表面元素及其价态。采用型号为 CHI660E 电化学工作站表征电池器件的电化学阻抗谱、塔菲尔曲线和循环伏安曲线。利用 Keithley 2400 源表，通过光电流密度电压(JV)曲线表征染料敏化太阳能电池的光伏特性。其中，实验中用到的