染料敏化太阳能电池硫化镍廉价高效对电极材料研究

Cheap NiS material has superior electrocatalytic properties, is expected to replace the noble metals platinum and applied to DSSC at a large-scale in the future. But so far, the impact of the quantum size effect to the spectral absorption and the catalytic properties of nano NiS is not clear. The technology of the nano-NiS with a specific size and morphology through liquid preparation process, as well as large-scale preparation of low-cost and high-NiS film electrodes need to be developed. This project is intended mainly synthesis different nano-sized NiS monodisperse material with liquid phase chemical method. And explore the UV-visible band spectral absorption and the electrocatalytic properties of these materials, and the law on this basis would provide guidance for selecting the crystal particle size of the efficient NiS electric catalytic materials. Firstly we will explore the thin film preparation technology (magnetron sputtering technique, screen printing technique) on the basis of inexpensive substrate (glass, nickel-metal sheet). Then we will deeply study the NiS dense films and the porous film composed by the NiS nanowires, to reveals the main factors and physical mechanisms which affect the conductivity and the surface catalytic properties of NiS dense films and of the porous film composed of NiS nanowires. The completion of the project will provide an important experimental basis and theoretic basis for the large scale production of the NiS catalytic electrode which with cheap and efficient properties.

廉价的NiS材料具有卓越的电催化性能，能够替代贵金属铂在将来大规模的应用于DSSC。但到目前为止，不同粒径的纳米NiS的量子尺寸效应对其自身的光谱吸收和催化性能的影响规律还不清楚，具有特定尺寸和形貌的纳米NiS及其薄膜电极的大规模制备技术还有待进一步开发。本项目拟采用液相化学法合成一系列纳米尺寸的NiS单分散材料，在此基础上研究这些材料的电催化性能以及对紫外-可见波段光谱的吸收规律，以便为选择高效NiS电催化材料的晶粒尺寸提供指导。在廉价基底（玻璃、镍金属片）上，对由磁控溅射技术制备的NiS致密薄膜和由NiS纳米线构成的多孔薄膜的薄膜制备技术分别进行深入研究，揭示影响NiS致密薄膜和NiS多孔薄膜（由NiS纳米线构成）的导电性和表面催化性能的主要因素和物理机制。本项目的完成将为大规模制备廉价、高效NiS催化电极提供重要的实验依据和理论基础。

我们对特定尺寸和形貌的廉价高效的染料敏化太阳能电池电极材料进行了较为深入的研究。主要包括以下方面（1）利用水热法合成了NiS亚微米立方体，发现NiS亚微米立方体具有良好的的导电性和表面催化活性，能作为一种廉价高效的对电极材料来替代传统的贵金属铂用于染料敏化太阳能电池。（2）我们首次采用离子交换法成功的制备了具有特殊形貌的硫化镍（NiS、Ni3S2）纳米线。我们发现这些一维纳米材料中的各个晶粒非常紧密地连接在一起，其紧密的一维结构有利于减少晶界和减小晶界电阻，有利于电子的传输。这些廉价高效的硫化镍材料对促进DSSC的大规模应用具有重要意义。（3）我们首次利用电沉积技术在银纳米线基透明导电薄膜的表面快速沉积一层致密的金属镍，形成Ag-Ni（核-壳）纳米线电缆。这样的电缆不仅能具有与FTO导电玻璃的相近的透光率和良好的导电性，而且其耐腐蚀性大幅度的提高。在它的表面再镀一层铂，把它用作透明对电极组装成DSSC的时取得了与表面镀铂的FTO透明电极（FTO/Pt）相媲美的光电效率。我们还成功合成了Ag-NiS（核-壳）纳米线电缆，这种新型透明对电极组装成DSSC是也能够取得较好的光电效率。这个研究将为进一步设计和大规模生产廉价、高效、耐腐蚀的Ag纳米电缆基透明催化电极提供重要的实验依据和思想基础。（4） 我们对TiS2二维纳米材料的制备技术及性能进行了系统的研究，成功制备了兼具卓越的导电性和催化活性二维纳米TiS2导电薄膜，用TiS2替代传统的FTO/Pt对电极用于DSSC并获得良好的光电转化效率。（5）对四针状氧化锌晶须在染料敏化太阳能电池中的应用进行了系统研究。发现同时具有光反射与电子快速传输功能的四针状ZnO层的薄膜结构为进一步提高DSSC的光电转化效率提供了一个新的思路。本项目的完成将为大规模制备廉价、高效的催化电极提供重要的实验依据和理论基础。