CN101170137A - 染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于太阳能电池技术领域的一种染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极及其制备方法。介孔碳对电极的结构为基底材料上覆盖一层由介孔碳颗粒和陶瓷颗粒组成的催化层。按重量比将介孔碳材料、陶瓷纳米颗粒、水和曲拉通均匀混合成黑色的浆料，采用刮涂法将黑色浆料涂覆在基底上，然后在400～650℃下煅烧0.5h以上即可得到介孔碳电极。采用有良好耐腐蚀性能的介孔碳电极作为染料敏化太阳能电池的对电极，介孔碳比表面积大，能够大大提高催化性能，保持电池在对电极上低能耗，降低电池的生产成本、保持该电池高的光电转换效率和提高电池的稳定性光电转换效率可以达到与基于传统的Pt电极的电池相当。有利于促进产业化生产。

Description

染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术，特别是涉及一种染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池成本低廉、容易制备，被认为是硅太阳能电池最有力的替代者。该电池以
Figure S2007101778104D00011
/I-氧化还原电对作为媒介在光阳极和对电极之间传递电荷。在这个媒介再生的循环中，被氧化的物质(I2或
Figure S2007101778104D00012
)在对电极上重新被还原为I-。减小由于上述还原反应的存在在对电极上的能量消耗是十分必要的。因此，作为电池的重要组成部分，对电极的电催化性能对整个电池的光电转换效率有着重要的影响。传统的对电极是Pt电极，虽然Pt电极催化效果很好，但是Pt十分昂贵，因此急需发展廉价的对电极材料。介孔碳材料制备容易，十分廉价，从而能够降低电池的制造成本。同时，介孔碳材料呈纳米结构，其比表面积很大。大的比表面积有利于提高介孔碳材料的催化性能，从而能够保持电池在对电极上低的能量消耗和保持电池高的光电转换效率。而且，碳材料有很强的化学惰性，耐腐蚀能力很强，从而能够提高电池的稳定性。综上所述，采用由介孔碳材料制备的介孔碳对电极，能够降低电池的制造成本、保持电池高的光电转换效率和提高电池的稳定性，从而有利于促进电池的商业化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极及其制备方法。
所述染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极的结构为基底材料上覆盖一层由介孔碳颗粒和陶瓷颗粒组成的催化层。
所述染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极的制备方法的具体制备过程如下：
1)在研钵中按重量比加入，介孔碳材料∶陶瓷纳米颗粒∶水∶曲拉通＝1∶0.1-10∶5-50∶1-10，均匀混合成黑色的浆料：
2)采用刮涂法将黑色浆料涂覆在基底上；
3)然后将产物在400～650℃下煅烧0.5～1.5h即可得到介孔碳电极。
所述陶瓷纳米颗粒为TiO2、MgO、SnO2、ZnO、WO3、Fe2O3、CeO2、Nb2O5、Al2O3、In2O3、V2O3、ZrO2、NiO、SiO2、CaO、CoO、CuO、MnO、SrO和Ba2O3中一种或一种以上氧化物。
所述介孔为有序介孔和无序介孔。
所述有序介孔为六方介孔、立方介孔或层状介孔。
所述介孔的孔径为2-50nm，孔壁厚度为2-50nm。
所述比表面积的范围是100-3000m2/g。
所述涂覆为在介孔碳材料中添加陶瓷颗粒和有机粘结剂，利用有机粘结剂的粘结作用将介孔碳材料涂覆于基底上，然后，通过烧结烧掉有机粘结剂，并且促进陶瓷颗粒之间互相连结，利用陶瓷颗粒之间的互相连结，将介孔碳材料固定于基底上。
所述基底材料为透明导电玻璃、金属基底、碳材料基底、或聚乙烯、聚苯乙烯或聚酯高分子基底。
本发明的有益效果：采用有良好耐腐蚀性能的介孔碳电极作为染料敏化太阳能电池的对电极，介孔碳比表面积大，能够大大提高催化性能，可以保持该电池在对电极上低的能量损耗，能够降低该电池的生产成本、保持该电池高的光电转换效率和提高电池的稳定性，有利于促进该电池的产业化。基于介孔炭电极的染料敏化太阳能电池的光电转换效率可以达到与基于传统的Pt电极的电池相当。
附图说明
图1为介孔碳电极A的SEM照片。
图2为介孔碳电极B的SEM照片。
图3为介孔碳电极C的SEM照片。
图4为介孔碳电极D的SEM照片。
图5为介孔碳电极E的SEM照片。
具体实施方式
本发明提供一种染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极及其制备方法。介孔碳对电极的结构为基底材料上覆盖一层由介孔碳颗粒和陶瓷颗粒组成的催化层。该方法是将纳米结构的、大比表面积的介孔碳材料涂覆于基底材料上，制备介孔碳电极。
所述介孔为有序介孔和无序介孔。
所述有序介孔为六方介孔、立方介孔或层状介孔。
所述介孔的孔径为2-50nm，以2-10nm效果较好；孔壁厚度为2-50nm，以2-10nm效果较好。
所述比表面积的范围是100-3000m2/g，以500-2000m2/g较好。
所述涂覆为往介孔碳材料中添加陶瓷颗粒和有机粘结剂，利用有机粘结剂的粘结作用将介孔碳材料涂覆于基底上，然后，通过烧结烧掉有机粘结剂，并且促进陶瓷颗粒之间互相连结，利用陶瓷颗粒之间的互相连结，将介孔碳材料固定于基底上。
所述基底材料为透明导电玻璃、金属基底、碳材料基底、或聚乙烯、聚苯乙烯或聚酯高分子基底。
实施例1
介孔碳电极的具体制备过程如下：
1)在研钵中加入0.1g介孔碳材料(有序六方介孔，平均孔径为4.25nm，比表面积为914m2/g)、0.02g平均粒径为20nm的ZnO纳米颗粒、1g水和0.3g曲拉通，均匀混合成黑色的浆料；
2)采用刮涂法将黑色浆料涂覆在基底上；
3)然后将产物在450℃下煅烧0.5h即可得到介孔碳电极，命名为“介孔碳电极A”。
将介孔碳电极应用作为染料敏化太阳能电极的对电极。获得的染料敏化太阳能电池的短路电流密度为12.9mA/cm2，开路电压为0.704V，填充因子为0.532，光电转换效率为4.8％；图1所示为介孔碳电极A的SEM照片。
实施例2
在研钵中加入0.1g介孔碳材料(有序六方介孔，有序度低的介孔，平均孔径为4.03nm，比表面积为1225m2/g)、0.04g平均粒径为25nm的TiO2纳米颗粒、2g水和0.6g曲拉通，其余制备过程与实施例1相同。制得的介孔炭电极命名为“介孔碳电极B”。获得的染料敏化太阳能电池的短路电流密度为12.7mA/cm2，开路电压为0.699V，填充因子为0.451，光电转换效率为4.0％。图2所示为介孔碳电极B的SEM照片。
实施例3
在研钵中加入0.1g介孔碳材料(无序介孔，平均孔径为2.28nm，比表面积为1505m2/g)、0.05g平均粒径为20nm的TiO2纳米颗粒、3g水和0.8g曲拉通，其余制备过程与实施例1相同。制得的介孔炭电极命名为“介孔碳电极C”。获得的染料敏化太阳能电池的短路电流密度为12.3mA/cm2，开路电压为0.669V，填充因子为0.331，光电转换效率为2.7％。图3所示为介孔碳电极C的SEM照片。
实施例4
在研钵中加入0.1g介孔碳材料(无序介孔，平均孔径为2.20nm，比表面积为1875m2/g)，其他制备过程与实施例1相同。制得的介孔碳电极命名为“介孔碳电极D”。获得的染料敏化太阳能电池的短路电流密度为12.6mA/cm2，开路电压为0.689V，填充因子为0.392，光电转换效率为3.4％。图4所示为介孔碳电极D的SEM照片。
实施例5
在研钵中加入0.1g介孔碳材料(无序介孔，平均孔径为2.23nm，比表面积为1551m2/g)，其他制备过程与实施例1相同。制得的介孔碳电极命名为“介孔碳电极E”。获得的染料敏化太阳能电池的短路电流密度为12.4mA/cm2，开路电压为0.680V，填充因子为0.342，光电转换效率为2.9％。图5所示为介孔碳电极E的SEM照片。
比较例1
作为比较，我们还用磁控溅射的方法制备了溅射Pt电极。溅射Pt电极是目前人们普遍采用的对电极。使用与实施例1相同的电解质和测试条件。将溅射Pt电极应用作为染料敏化太阳能电池的对电极。获得的染料敏化太阳能电池的短路电流密度为13.0mA/cm2，开路电压为0.706V，填充因子为0.570，光电转换效率为5.2％。而采用介孔碳电极A的染料敏化太阳能电池的光电转换效率最好可达4.8％。因此，基于介孔碳电极的染料敏化太阳能电池的光电转换效率可以达到与基于传统的Pt电极的电池相当。

Claims (8)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极，其特征在于，所述染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极的结构为基底材料上覆盖一层由介孔碳颗粒和陶瓷颗粒组成的催化层。
2.根据权利要求1所述用于染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极，其特征在于，所述介孔为有序介孔和无序介孔。
3.根据权利要求2所述用于染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极，其特征在于，所述有序介孔为六方介孔、立方介孔或层状介孔。
4.根据权利要求1或2所述用于染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极，其特征在于，所述介孔的孔径为2-50nm，孔壁厚度为2-50nm。
5.根据权利要求1所述用于染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极，其特征在于，所述介孔碳的比表面积范围是100-3000m2/g。
6.一种染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极的制备方法，其特征在于，具体制备过程如下：
1)在研钵中按重量比加入，介孔碳材料∶陶瓷纳米颗粒∶水∶曲拉通＝1∶0.1-10∶5-50∶1-10，均匀混合成黑色的浆料；
2)采用刮涂法将黑色浆料涂覆在基底上；
3)然后将产物在400～650℃下煅烧0.5～1.5h即可得到介孔碳电极。
7.根据权利要求6所述染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极的制备方法，其特征在于，所述陶瓷纳米颗粒为TiO2、MgO、SnO2、ZnO、WO3、Fe2O3、CeO2、Nb2O5、Al2O3、In2O3、V2O3、ZrO2、NiO、SiO2、CaO、CoO、CuO、MnO、SrO和Ba2O3中一种或一种以上氧化物。
8.根据权利要求6所述染料敏化太阳能电池的介孔碳对电极的制备方法，其特征在于，所述基底材料为透明导电玻璃、金属基底、碳材料基底、或聚乙烯、聚苯乙烯或聚酯高分子基底。
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