铂对电极制备示意图
染料敏化太阳能电池(DSSC)是瑞士科学家Gratzel和O’Regan于1991年提出的一种新型太阳能电池, 该电池与传统的太阳能电池的区别在于光的吸收和载流子的传输是由不同的物质完成的,其最大特点是采用廉价的原材料和简单的制作工艺(其制作成本仅为硅太阳能电池的1/5-1/10).典型的DSSC通常由三部分组成: 负载在导电玻璃(TCO或FTO)上、多孔且吸附了染料的纳米晶TiO2半导体薄膜(光阳极)、负载了Pt催化剂的导电玻璃的I-/I3-电极(俗称对电极)以及含有I-/I3-的乙腈溶液(电解质). 目前, 染料敏化太阳能电池研究主要集中在染料合成、固态(或准固态)电解质、纳米半导体薄膜等方面, 而针对I-/I3-电极的研究较少.
I-/I3-电极是染料敏化太阳电池的三个重要部件之一, I-/I3-电对的还原反应能否高效进行, 如何减小I3-与TiO2导带中电子的复合几率是I-/I3-电极重要的考察指标. 为了降低成本, 人们尝试了各种廉价的I-/I3-电极催化材料, 如碳和导电聚合物, 但对I-/I3-的还原反应催化效果最好的依然是Pt催化剂.
传统的热解法(PY)制备的Pt对电极, 是通过将滴加在FTO上的氯铂酸在380℃热分解获得的. 由此制备的Pt/FTO电极其Pt颗粒的分散性差, 还存在进一步提高分散性, 降低Pt担载量, 提高催化活性的要求. 此外, PY方法因为要经过380℃的加热过程, 该种方法并不适合在像塑料板这样的柔性基底上制备对电极, 并且加热还会导致导电玻璃FTO的电阻增加, 电极性能下降. 与PY法制备金属催化剂相比, 磁控溅射法能够在室温下实施,且能非常均匀地覆盖基底表面,从而消除PY方法制备Pt电极时分散性差和高温对导电玻璃导电率的影响.
磁控溅射是在圆饼型靶材的跑道环部分进行的, 当靶材的跑道环部分消耗殆尽,则整块靶材报废, 因此, 靶材的利用率只有20%-30%. 显然, 如果采用Pt靶材来直接制备Pt对电极, 无疑会增加DSSC的成本.
重庆大学化学化工学院王耀琼等人采用溅射-置换(SD)法在导电玻璃(FTO)基底上制备了染料敏化太阳能电池(DSSC)对电极SD-Pt/FTO.形貌表征显示, 和热解法(PY)所获得的对电极(PY-Pt/FTO)相比, SD法获得的对电极SD-Pt/FTO上Pt颗粒分散性显著改善. 光电流-光电压特性曲线测试表明, 以SD-Pt/FTO为DSSC对电极的光电转化效率比以PY-Pt/FTO为DSSC对电极的提高了16.5%.DSSC电池性能改善与SD-Pt/FTO对电极具有较低的电阻和由Pt颗粒分散性改善引起催化性能改善密切相关.