CN101000934A - 一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极及其制备方法 - Google Patents

一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极及其制备方法，其以石墨为基本材料，与小尺寸无机固体微粒相混合，在一定压力下将混合物压入多孔金属网格中，形成高比表面积的多孔电极材料。该复合电极的表面电阻很小，使石墨与染料敏化纳米晶太阳能电池中的液体电解质有较大的有效接触面积，应用到染料敏化太阳能电池后能获得与白金电极相媲美的光电转化性能。此复合电极的制造成本低，稳定性高，机械性能好，使用寿命长，应用到染料敏化纳米晶太阳能电池后，提高了电池的开路电压(相对于白金电极)。

Description

一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种金属/石墨复合对电极材料和新型化学太阳能池，属于新材料技术以及新能源技术领域。
背景技术
染料敏化纳米晶太阳能电池是九十代开发出的一种新型化学太阳能电池，具有低的成本，简便的制备工艺以及好的环境相容性，具有很好的应用前景。但是目前所用的对电极主要是以白金作为表面镀层的电极。由于白金的稀有和昂贵，导致该种电极有较高的制造成本。所以，研制新型高效可替代白金的廉价电极成为一个发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有良好电化学性能的金属/石墨复合对电极及其制备方法，其可以取代染料敏化太阳能电池的白金对电极，从而为染料敏化纳米晶太阳能电池的广泛奠定良好的基础。
本发明的技术方案是这样的：一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极，为由多孔金属网、小粒径石墨和小粒径无机晶体材料压合而成的金属/石墨复合对电极。
上述小粒径石墨是鳞片石墨，其粒径介于50nm-200μm。
上述小粒径无机晶体材料为二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铜、二氧化硅、氧化镍、硫酸镁、碳酸镁、氢氧化镁、硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、氧化铁、五氧化二钒中的一种或一种以上混合而成，其粒径介于5nm-30μm。
上述多孔金属网为镍网或经过抗腐蚀处理的镍网、泡沫镍、泡沫磷镍、泡沫铜、泡沫铜镍、泡沫铁铬铝、泡沫铝、泡沫不锈钢、泡沫铜合金及其它金属合金网或多孔隙泡沫金属及合金材料。
一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极的制备方法，通过下列步骤实现：
第一步，将小粒径石墨和小粒径无机晶体材料在适量的亲油性有机溶剂中混匀，其中小粒径无机晶体材料所占小粒径石墨与小粒径无机晶体材料的总质量的质量百分比为0.2％-80％；
第二步，将第一步所得的混合物在一定温度下搅拌，使亲油性有机溶剂溶剂蒸发，并使小粒径石墨和小粒径无机晶体材料混合均匀，并进行干燥；
第三步，将干燥后的小粒径石墨和小粒径无机晶体材料的混合物加在多孔金属网的孔隙和表面，在10-200Mpa的压力下将小粒径石墨和小粒径无机晶体材料的混合物与多孔金属网压在一起，即形成具有良好机械性能和电化学性能的金属/石墨复合对电极。
上述小粒径石墨是鳞片石墨，其粒径介于50nm-200μm。
上述小粒径无机晶体材料为二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铜、二氧化硅、氧化镍、硫酸镁、碳酸镁、氢氧化镁、硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、氧化铁、五氧化二钒中的一种或一种以上混合而成，其粒径介于5nm-30μm。
上述多孔金属网为镍网或经过抗腐蚀处理的镍网、泡沫镍、泡沫磷镍、泡沫铜、泡沫铜镍、泡沫铁铬铝、泡沫铝、泡沫不锈钢、泡沫铜合金及其它金属合金网或多孔隙泡沫金属及合金材料。
上述亲油性有机溶剂为乙醇或丙酮。
本发明以石墨为基本材料，与小尺寸无机固体微粒相混合，通过在一定压力将混合物压入惰性(相对于电解质)多孔金属网，形成高比表面积的多孔性金属/石墨复合对电极。该金属/石墨复合对电极的表面电阻很小，与染料敏化纳米晶太阳能电池中的液体电解质有较大的有效接触面积，有较多的活性反应中心，在一定电压下有较大的极限电流(相对于因结构致密而与电解液有较小接触面积的纯石墨电极)，较小的过电位，具有优良的电化学性能，且制造成本低，稳定性高，机械性能好，使用寿命长，应用于染料敏化纳米晶太阳能电池后，提高了电池的开路电压(相对于白金电极)，能获得与白金电极相媲美的光电转化性能。具有良好的应用前景。该新型高性能金属/石墨复合对电极除了可以应用到染料敏化太阳能电池外，也可以作为高活性电化学电极用于其它方面。
具体实施方式
第一步，将市售的粒径介于50nm-200μm的鳞状石墨和粒径介于5nm-30μm的无机晶体材料在适量的亲油性有机溶剂中经超声波搅拌或剧烈机械搅拌混匀；其中，无机晶体材料为二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铜、二氧化硅、氧化镍、硫酸镁、碳酸镁、氢氧化镁、硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、氧化铁、五氧化二钒中的一种或一种以上混合而成，无机晶体材料的主要作用是致孔性，无机晶体材料所占石墨与无机晶体材料的总质量的质量百分比为5％，亲油性有机溶剂用乙醇或丙酮，亲油性有机溶剂在此起到了混合的作用，用量的多少并不影响本发明的效果。
第二步，将第一步所得的混合物加热至高于50℃，并剧烈搅拌，使亲油性有机溶剂蒸发，并使石墨和无机晶体材料混合均匀，然后放入60-80℃的干燥箱中进一步干燥12小时以上。
第三步，将干燥后的石墨和无机晶体材料的混合物加在多孔金属网的孔隙和表面，在80Mpa的压力下将石墨和无机晶体材料的混合物与多孔金属网压在一起，形成具有良好机械性能和电化学性能的金属/石墨复合对电极。此处以多孔金属网作为电极材料支撑体，主要用以改善电极的机械和导电性能；电极的厚度可通过增加或减少石墨和无机晶体材料的混合物的量以及多孔金属网的层数来控制。
第四步，将第三步制备的金属/石墨复合对电极剪裁成所需要的大小和形状的电极。

Claims (9)

1、一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极，其特征在于：为由多孔金属网、小粒径石墨和小粒径无机晶体材料压合而成的金属/石墨复合对电极。
2、根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极，其特征在于：上述小粒径石墨是鳞片石墨，其粒径介于50nm-200μm。
3、根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极，其特征在于：上述小粒径无机晶体材料为二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铜、二氧化硅、氧化镍、硫酸镁、碳酸镁、氢氧化镁、硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、氧化铁、五氧化二钒中的一种或一种以上混合而成，其粒径介于5nm-30μm。
4、根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极，其特征在于：上述多孔金属网为镍网或经过抗腐蚀处理的镍网、泡沫镍、泡沫磷镍、泡沫铜、泡沫铜镍、泡沫铁铬铝、泡沫铝、泡沫不锈钢、泡沫铜合金及其它金属合金网或多孔隙泡沫金属及合金材料。
5、一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极的制备方法，其特征在于：通过下列步骤实现：
第一步，将小粒径石墨和小粒径无机晶体材料在适量的亲油性有机溶剂中混匀，其中小粒径无机晶体材料所占小粒径石墨与小粒径无机晶体材料的总质量的质量百分比为0.2％-80％；
第二步，将第一步所得的混合物在一定温度下搅拌，使亲油性有机溶剂溶剂蒸发，并使小粒径石墨和小粒径无机晶体材料混合均匀，并进行干燥；
第三步，将干燥后的小粒径石墨和小粒径无机晶体材料的混合物加在多孔金属网的孔隙和表面，在10-200Mpa的压力下将小粒径石墨和小粒径无机晶体材料的混合物与多孔金属网压在一起，即形成具有良好机械性能和电化学性能的金属/石墨复合对电极。
6、根据权利要求5所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极的制备方法，其特征在于：上述小粒径石墨是鳞片石墨，其粒径介于50nm-200μm。
7、根据权利要求5所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极的制备方法，其特征在于：上述小粒径无机晶体材料为二氧化钛、氧化铝、氧化镁、氧化锌、氧化铜、二氧化硅、氧化镍、硫酸镁、碳酸镁、氢氧化镁、硫酸钡、碳酸钙、硫酸钙、氧化铁、五氧化二钒中的一种或一种以上混合而成，其粒径介于5nm-30μm。
8、根据权利要求5所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极的制备方法，其特征在于：上述多孔金属网为镍网或经过抗腐蚀处理的镍网、泡沫镍、泡沫磷镍、泡沫铜、泡沫铜镍、泡沫铁铬铝、泡沫铝、泡沫不锈钢、泡沫铜合金及其它金属合金网或多孔隙泡沫金属及合金材料。
9、根据权利要求5所述的一种用于染料敏化太阳能电池的高性能金属/石墨复合对电极的制备方法，其特征在于：上述亲油性有机溶剂为乙醇或丙酮。
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