CN101783212B - 一种导电胶及具有大比表面的导电多孔膜的制备方法 - Google Patents

一种导电胶及具有大比表面的导电多孔膜的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种导电胶体以及以此制备大比表面导电多孔膜的技术，即采用铂、碳黑和石墨与氧化物纳米粉末、纤维素按一定比例共混后，加入松油醇制备导电胶体，并采用刮涂法或丝网印刷技术制备具有大比表面的导电多孔薄膜。该方法不仅生产工艺简单、成本低廉，而且适应范围广，作为电极材料在染料敏化纳米太阳能电池中具有良好的应用前景，特别是提供了一种提高全固态染料敏化太阳能电池转换效率的有效途径。同时该具有大表面的导电多孔膜可在其它相关器件，如包括燃料电池、锂离子电池、超级电容器等器件中作为电极材料，该技术是一种具有很大发展潜力和市场前景的技术。

Description

一种导电胶及具有大比表面的导电多孔膜的制备方法
技术领域
本发明涉及一种导电胶及具有大比表面的导电多孔膜的制备方法，尤其是用作染料敏化太阳能电池的电极的制备方法。
背景技术
碳材料作为电极材料已经广泛的应用于各种电池中，因为碳材料有较高的稳定性，包括热稳定性以及在酸碱溶液中的化学稳定性，碳材料同时具有较高的导电性以及较高的催化活性。碳材料可以制作成不同形貌的薄膜，如碳纳米管，碳黑颗粒，石墨片碳，纳米棒等不同的形态，这些形态既可以获得很好的导电性能，又可以获得相当大的比表面积。与其他传统电极材料相比，碳材料来源广泛，制备工艺简单，生产成本低，对环境无破坏作用。
迄今为止，已经报道的液态染料敏化太阳能电池的效率达到11.5％。然而，这些电池的空穴导电载体采用的是一种液态电解质。采用液态电解质带来了许多实际性问题，如泄漏、染料的解吸附以及电极的腐蚀等等，对电极采用的是镀铂的对电极。采用镀铂对电极也会产生许多实际性的问题，如电极腐蚀、电解质与电极交换电子的速率较慢、成本太高、污染严重等等。这大大阻碍了染料敏化太阳能电池的实际应用。
目前基于P型空穴传输材料的固态染料敏化太阳能电池效率可以达到5％，固态电解质不会产生泄漏、腐蚀等问题，这为染料敏化太阳能电池的商业应用提供了可能性。但是，由于固态电池结构的特殊性，使得固态染料敏化太阳能电池的对电极不能像液态染料敏化太阳能电池的铂对电极一样制备，对电极成为制约电池效率和成本的重要因素。为了寻找合适的对电极材料，国内外研究者做了大量的尝试，例如采用磁控溅射金，电镀金、铂等，但是遗憾的是，由于固态电解质不能够像液态电解质一样与对电极充分的接触，导致电池对电极处的电子转移电阻大幅增加，从而电池的效率不能获得提高，而且铂、金电极代价过于昂贵，不利于染料敏化太阳能电池的产业化推广。
当应用于染料敏化太阳能电池中时，碳材料可同时解决液态、固态电池中对电极面临的问题，其较高的化学稳定性可以避免液态染料敏化太阳能电池中铂对电极长期使用中与电解质反应而导致的寿命问题，而且由于碳膜具有较大的比表面积和大的空隙率可以增大电池对电极与电解质的接触面积，从而大大加强对电极处电子与电解质，尤其是固态电解质的交换速度，大幅提高固态染料敏化太阳能电池的性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种导电胶体和导电薄膜及其制备方法和用途，该导电胶体可制备成导电薄膜用于染料敏化太阳能电池的电极，且能提高全固态染料敏化太阳能电池转换效率：所提供的的方法生产工艺简单、成本低廉、效率较高。
本发明不仅生产工艺简单、成本低廉、效率高，而且适应范围广。特别是本发明导电胶体可作为染料敏化太阳能电池的对电极，且能提高全固态染料敏化太阳能电池转换效率；有效减少了全固态染料敏化太阳能电池界面电荷复合对器件性能的影响；是一种具有很大发展潜力和市场前景的新型材料。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例1
将4克石墨和碳黑的混合物(石墨和碳黑质量比为2∶1，石墨粒度为100纳米，碳黑粒径为10纳米)，加入至20克松油醇中，加入0.2克粒径为5nm的氧化锆和0.4克乙基纤维素(粘度200cps)搅拌，充分研磨，即得到导电胶体。将导电胶用刮涂法或丝网印刷技术制备薄膜，并在温度为300℃下烧结制得具有大比表面的多孔导电膜，组装成固态染料敏化太阳能电池。
电导率测试表明，该导电膜导电率为10Ω/□。
电池效率：在强度为100mW·cm-2的模拟太阳能光电性能测试表明，该太阳能电池获得的闭路光电流密度Jsc＝3.9mA/cm2，开路电压Voc＝625mV，填充因子FF＝0.57，光电转换效率η＝1.4％。
实施例2
将4克石墨和碳黑的混合物(石墨和碳黑质量比为30∶1，石墨粒径为400纳米，碳黑粒径为150纳米)，冷却加入2.4克氧化锆(粒径为100纳米)和2.4克羟丙基纤维素(粘度1000cps)，搅拌后加入80克松油醇。将导电胶用刮涂法或丝网印刷技术制备薄膜，并在温度为400℃下烧结制得具有大比表面的多孔导电膜，组装成固态染料敏化太阳能电池。
电导率测试表明，该导电膜导电率为23.2Ω/□。
电池效率：在强度为100mW·cm-2的模拟太阳能光电性能测试表明，该太阳能电池获得的闭路光电流密度Jsc＝7.0mA/cm2，开路电压Voc＝677mV，填充因子FF＝0.6，光电转换效率η＝2.8％。
实施例3
将4克石墨和碳黑的混合物(石墨和碳黑质量比为3∶1，石墨粒度为100微米，碳黑粒径为1500纳米)加入50毫升氯铂酸溶液(其中铂的含量为石墨和碳黑混合物总质量的0.001％-40％，优选5％)，旋蒸烘干后，加入至40克松油醇中，加入1克粒径为2000纳米氧化锆和2.4克乙基纤维素(粘度5cps)搅拌，得到导电胶体。将导电胶用刮涂法或丝网印刷技术制备薄膜，并在温度为550℃下烧结制得具有大比表面的多孔导电膜，组装成固态染料敏化太阳能电池。
电导率测试表明，该导电膜导电率为7.2Ω/□。
电池效率：在强度为100mW·cm-2的模拟太阳能光电性能测试表明，该太阳能电池获得的闭路光电流密度Jsc＝6mA/cm2，开路电压Voc＝705mV，填充因子FF＝0.46，光电转换效率η＝1.9％。
实施例4
导电胶按以下方法制备：将4克石墨和碳黑的混合物(石墨和碳黑质量比为5∶1，石墨粒度为20微米，碳黑粒径为600纳米)加入50毫升氯铂酸溶液(其中铂的含量为石墨和碳黑混合物总质量的0.001％-40％，优选5％)，旋蒸烘干后，加入至80克松油醇中，加入2克粒径为500纳米氧化锆和2克乙基纤维素(粘度2000cps)搅拌，得到导电胶体。将导电胶用刮涂法或丝网印刷技术制备薄膜，并在温度为300℃下烧结制得具有大比表面的多孔导电膜，组装成固态染料敏化太阳能电池。
电导率测试表明，该导电膜导电率为15.3Ω/□。
电池效率：在强度为100mW·cm-2的模拟太阳能光电性能测试表明，该太阳能电池获得的闭路光电流密度Jsc＝7.8mA/cm2，开路电压Voc＝677mV，填充因子FF＝0.57，光电转换效率η＝4.6％。
实施例5
导电胶按以下方法制备：将4克石墨和碳黑的混合物(石墨和碳黑质量比为10∶1，石墨粒度为20微米，碳黑粒径为600纳米)，加入至80克松油醇中，加入2克粒径为500纳米氧化锆和2克乙基纤维素(粘度2000cps)搅拌，得到导电胶体。将导电胶用刮涂法或丝网印刷技术制备薄膜，并在温度为300℃下烧结制得具有大比表面的多孔导电膜，组装成固态染料敏化太阳能电池。
电导率测试表明，该导电膜导电率为45.3Ω/□。
电池效率：在强度为100mW·cm-2的模拟太阳能光电性能测试表明，该太阳能电池获得的闭路光电流密度Jsc＝5.2mA/cm2，开路电压Voc＝627mV，填充因子FF＝0.48，光电转换效率η＝1.56％。

Claims (3)

1.一种导电胶的制备方法，具体步骤为：将石墨和碳黑混合后，加入到氯铂酸溶液中并旋蒸烘干，再加入纳米无机氧化物、纤维素和松油醇，充分混合研磨，即形成导电胶；
其中，加入的纳米无机氧化物的质量为石墨和碳黑混合物总质量的5％-60％，加入的纤维素的质量为石墨和碳黑混合物总质量的10％-60％，加入的松油醇质量为石墨和碳黑混合物总质量的5-20倍，所述的石墨和碳黑混合物中的石墨和碳黑质量比为2∶1-30∶1，所述的纳米无机氧化物为纳米二氧化钛、纳米氧化锆、纳米氧化锌、纳米氧化铝和纳米二氧化硅中至少一种，所述纤维素选自乙基纤维素和羟丙基纤维素中至少一种。
2.利用上述权利要求1所述的制备方法制备的导电胶。
3.利用权利要求2的导电胶制备多孔导电膜的方法，其特征在于，将所述导电胶用刮涂法或丝网印刷技术制备薄膜，并在温度为300-550℃下烧结，即得到多孔导电膜。
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