CN101894677A - 一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极及其制备方法 - Google Patents

一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极及其制备方法 Download PDF

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李保民
侯丽新
张希堂
田岚
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Abstract

一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极及其制备方法，所述柔性碳对电极包括柔性导电基材和碳催化活性层，碳催化活性层是由低温导电碳浆和石墨粉的混合浆料涂覆在柔性导电基材表面经80-150℃低温固化形成。该柔性碳对电极导电性高、电化学催化活性高、耐电解液腐蚀性强、耐磨性好、重量轻，能够保证电池具有高光电转换效率，提高电池的稳定性，有利于促进电池的商业化生产。本发明可连续化生产，可在敞开体系中涂敷和低温(80-150℃)固化处理，它降低了电池的制造成本，适用于大面积电池的制作。

Description

一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性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，特别涉及一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池是上世纪九十年代开发出的一种新型化学太阳能电池，具有低成本、简便的制备工艺以及好的环境相容性而受到世界各国科学家和工业界的广泛关注，具有很好的应用前景。
对电极在染料敏化太阳能电池中承担的作用是将由外电路流入的电子快速、无损耗的传给电解液中的I3 -，并将其还原为I-用于染料的再生反应。对电极在电池中不仅起到传输电子的作用，还具有催化作用，所以对电极需要具有如下特性：电阻低、电化学催化活性高以及耐电解液的腐蚀性。传统的对电极一般采用FTO或ITO导电玻璃，催化活性层一般为铂。铂的催化活性虽然很好，但是由于铂是一种贵金属，价格昂贵，再加上其制备需要高温或高真空条件及相应设备，工艺复杂、成本高，不适合于大规模生产和应用。而碳材料由于其来源广泛，具有价格低同时又具有很好的导电性和电化学催化活性而成为研究的热点。
目前，制备碳对电极有使用导电碳浆或石墨粉的，但单独使用二者中任一种，所制备碳对电极都存在一定的缺点，如使用导电碳浆所制备的碳对电极，其导电性和催化活性均较低；而使用石墨粉所制备的碳对电极，其耐电解液腐蚀性、耐磨性以及在基材上的附着性均较低，况且它的高温(450-600℃)烧结制备工艺也不适合于在柔性基材上制备碳对电极。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极。
本发明所要解决的另一技术问题是提供一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极的制备方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极，包括柔性导电基材和碳催化活性层，所述碳催化活性层是由低温导电碳浆和石墨粉的混合浆料涂覆在柔性导电基材表面经80-150℃低温固化形成，所述低温导电碳浆和石墨粉的重量比为2～10∶1。
上述柔性碳对电极，所述低温导电碳浆和石墨粉的重量比为3～8∶1。
上述柔性碳对电极，所述石墨粉为鳞片状石墨、球形石墨或它们的混合物。
上述柔性碳对电极，所述碳催化活性层的厚度为3～20μm。
一种用于制备上述柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极的方法，它包括如下步骤：
a.按照低温导电碳浆和石墨粉的重量比为2～10∶1配制浆料；
b.将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
c.在80～150℃下固化10～30分钟，得到碳催化活性层厚度为3～20μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极。
上述制备方法，所述碳对电极的表面电阻为10～20Ω/□。
与现有技术相比，本发明的柔性碳对电极的碳催化活性层是由低温导电碳浆和石墨粉的混合浆料涂覆在柔性导电基材表面经低温(小于150℃)固化形成。通过控制混合浆料中低温导电碳浆和石墨粉的重量比，可以得到导电性高、电化学催化活性高、耐电解液腐蚀性强、耐磨性好、与基材附着力好的柔性碳对电极，从而在能够保证电池具有高光电转换效率的同时，提高了电池的稳定性，有利于促进电池的商业化生产；由于采用柔性导电基材，避免了高温(450-600℃)烧结制备工艺，降低了生产成本，节约了能源。
附图说明
图1为本发明提供的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
本发明中的碳催化活性层是由低温导电碳浆和石墨粉的混合浆料涂覆在柔性导电基材表面经80～150℃低温固化形成，低温导电碳浆和石墨粉的重量比为2∶1～10∶1，优选3∶1～8∶1，当低温导电碳浆和石墨粉的重量比小于2∶1时，因低温导电碳浆含量低，导致由其制备的柔性碳对电极的耐电解液腐蚀性、耐磨性以及在柔性导电基材上的附着性均下降；而当低温导电碳浆和石墨粉的重量比大于10∶1时，因石墨粉含量过低，导致由其制备的柔性碳对电极的导电性和催化活性均降低。适合于本发明的低温导电碳浆由碳粉、树脂、溶剂及其它助剂组成，如深圳市千代电子材料有限公司生产的CCI-305L型、深圳富嘉乐电子材料有限公司生产的CK10型等；适合于本发明的石墨粉为鳞片状石墨、球形石墨中的一种或其混合物。碳催化活性层的厚度为3～20μm。
本发明中的柔性导电基材包括柔性高分子聚合物基材和其上的导电层，柔性高分子聚合物基材可以是聚酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯等，导电层可以是ITO或有机导电聚合物。
本发明所述涂覆方式为公知的浸涂、辊涂、刮刀涂布、丝网印刷中的任一种。
本发明所采用的制备方法可以实现连续化生产，可以在敞开体系中低温固化处理，避免了使用溅射工艺所需要的高温和高真空条件及其相应设备，大大降低了电池的制造成本，适用于大面积电池的制作。采用本发明的柔性碳对电极可与柔性光阳极配合，可以制备全柔性染料敏化太阳能电池。
以下结合实施例中对本发明提供的柔性染料敏化太阳能电池用柔性碳对电极及其制备方法进行详细说明，但本发明并不限于此。
实施例1：
1)将低温导电碳浆(深圳富嘉乐电子材料有限公司提供的CK10型)与石墨粉(其中，石墨粉为鳞片状石墨和球形石墨重量比为3∶2的混合物)按重量比2∶1混合，均匀混合配制成浆料；
2)采用丝网印刷方法，将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
3)在150℃下固化10分钟，得到碳催化活性层厚度为3μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极，其表面电阻为10.2Ω/□。
将上述制备的柔性碳对电极应用作为柔性染料敏化太阳能电池的对电极。所组装电池的短路电流为3.65mA/cm2，开路电压为0.69V，填充因子为0.47，光电转换效率为1.18％。
实施例2：
1)将低温导电碳浆(深圳市千代电子材料有限公司提供的CCI-305L型)与鳞片状石墨按重量比3∶1混合，均匀混合配制成浆料；
2)采用刮刀涂布方法，将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
3)在120℃下固化15分钟，得到碳催化活性层厚度为7μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极，其表面电阻为13.7Ω/□。
将上述制备的柔性碳对电极应用作为柔性染料敏化太阳能电池的对电极。所组装电池的短路电流为3.78mA/cm2，开路电压为0.72V，填充因子为0.51，光电转换效率为1.39％。
实施例3：
1)将低温导电碳浆(深圳富嘉乐电子材料有限公司提供的CK10型)与球形状石墨按重量比5∶1混合，均匀混合配制成浆料；
2)采用浸涂方法，将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
3)在105℃下固化20分钟，得到碳催化活性层厚度为10μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极，其表面电阻为15.6Ω/□。
将上述制备的柔性碳对电极应用作为柔性染料敏化太阳能电池的对电极。所组装电池的短路电流为3.52mA/cm2，开路电压为0.71V，填充因子为0.53，光电转换效率为1.30％。
实施例4：
1)将低温导电碳浆(深圳市千代电子材料有限公司提供的CCI-305L型)与鳞片状石墨按重量比8∶1混合，均匀混合配制成浆料；
2)采用辊涂方法，将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
3)在90℃下固化25分钟，得到碳催化活性层厚度为15μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极，其表面电阻为17.8Ω/□。
将上述制备的柔性碳对电极应用作为柔性染料敏化太阳能电池的对电极。所组装电池的短路电流为4.01mA/cm2，开路电压为0.71V，填充因子为0.48，光电转换效率为1.37％。
实施例5：
1)将低温导电碳浆(深圳富嘉乐电子材料有限公司提供的CK10型)与球形状石墨按重量比10∶1混合，均匀混合配制成浆料；
2)采用刮刀涂布方法，将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
3)在80℃下固化30分钟，得到碳催化活性层厚度为20μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极，其表面电阻为20.2Ω/□。
将上述制备的柔性碳对电极应用作为柔性染料敏化太阳能电池的对电极。所组装电池的短路电流为3.95mA/cm2，开路电压为0.69V，填充因子为0.52，光电转换效率为1.42％。

Claims (6)

1.一种用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极，它包括柔性导电基材和碳催化活性层，其特征在于，所述碳催化活性层是由低温导电碳浆和石墨粉的混合浆料涂覆在柔性导电基材表面、经80～150℃低温固化形成，所述低温导电碳浆和石墨粉的重量比为2～10∶1。
2.根据权利要求1所述用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极，其特征在于，所述低温导电碳浆和石墨粉的重量比为3～8∶1。
3.根据权利要求1或2所述用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极，其特征在于，所述石墨粉为鳞片状石墨、球形石墨或它们的混合物。
4.根据权利要求3所述用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极，其特征在于，所述碳催化活性层的厚度为3～20μm。
5.一种制备如权利要求1所述用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极的方法，其特征在于，它包括如下步骤：
a.按照低温导电碳浆和石墨粉的重量比为2∶1～10∶1配制浆料；
b.将上述浆料涂覆在柔性导电基材表面；
c.在80-150℃下固化10-30分钟，得到碳催化活性层厚度为3～20μm的柔性染料敏化太阳能电池碳对电极。
6.根据权利要求5所述用于柔性染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极的制备方法，其特征在于，所述柔性碳对电极的表面电阻为10～20Ω/□。
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