CN102324307A - 一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法 - Google Patents

一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法。复合对电极的结构为基底材料上覆盖一层由金属颗粒和多孔碳颗粒组成的复合催化层，其中孔隙结构发达的多孔碳为还原电解质提供尽可能多的催化活性点，而弥散分布的细小金属颗粒起着连接碳颗粒的桥梁作用，能使外电路电子更快速地传输到碳颗粒上参与电解质还原。复合对电极由多孔碳颗粒、金属颗粒、粘结剂和乙醇水溶液等材料经研磨混合、涂层及80～200℃低温烧结获得。复合对电极不仅具有比传统的铂对电极更低的成本、更高的化学稳定性，而且其染料敏化太阳电池的转换效率已略高于同条件下铂对电极，有助于低成本、高效导电玻璃基染料敏化太阳电池和柔性染料敏化太阳电池的大规模工业化生产。

Description

一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及太阳电池技术，特别涉及一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳电池作为一类新型薄膜太阳电池，其发明无疑对解决当今世界的能源问题开辟了一条新途径。染料敏化太阳电池除了具有合适的转换效率外，还具有目前占主导地位的晶体硅太阳电池所不具备的特点：1)成本较低，约为晶体硅太阳电池的1/4～1/5；2)制备工艺简单；3)可制得柔性器件；4)根据环境的要求，制备出不同颜色的器件，具有很好的装饰功能。染料敏化太阳电池的这些特点使其成为世界各国争先开发研究的热点。
首批小功率商品化染料敏化太阳电池于2009年由英国G24i公司推出，由光电极、敏化剂、电解质及对电极四部分组成，其中对电极由导电基底和沉积在其表面的铂催化层组成。铂催化层的作用是加速氧化态电解质的还原、提高电荷转移动力学。然而，作为一种贵金属——铂的使用不仅与染料敏化太阳电池的低成本的初衷相违背，而且不利于产业化。此外，铂催化层还存在易被腐蚀的现象，导致器件稳定性下降。由此可知，铂对电极的取代对电极的研制是染料敏化太阳电池大规模产业化面临的关键问题，迫切需解决。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有染料敏化太阳电池的铂对电极高成本的问题，提供了一种低成本的用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法。
为达到上述目的，本发明用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极包括导电基底以及覆盖在所述导电基底上的一层由弥散分布的细小金属颗粒和多孔碳颗粒组成的复合催化层。
本发明的制备方法包括下述步骤：
1)混料：先按1∶0.2～1∶5重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶(0.01～0.5)∶(0～0.2)∶(1～3)的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为1μm～50μm；
3)烧结：在80～200℃下保温0.5～2h，获得高孔隙碳基复合对电极。
所述的细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的银、铜、铝、钨、铁、镍及其合金中的一种或一种以上任意比例的混合物。
所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g。
所述的导电基底为透明导电玻璃、金属基底、碳质基底或导电高分子基底。
所述的粘结剂为甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上任意比例的混合物。
本发明以来源广泛且耐腐蚀的多孔碳为基体催化层材料制备出一种金属颗粒弥散分布的高孔隙碳基复合对电极。复合对电极中，孔隙结构发达且高比表面积的多孔碳不仅能为电解质扩散提供了高速有效的通道，而且能为还原电极提供尽可能多的催化活性点，弥补相同表面积下多孔碳相对于铂催化活性的不足。同时，弥散分布的细小金属颗粒在复合对电极中起着连接碳颗粒的桥梁作用，不仅缩短了电子的导电路径长度，而且增加了导电路径数量，能使外电路电子更快速地传输到碳颗粒上参与电解质还原，使复合对电极具有比纯多孔碳对电极更高的催化活性和更小的方块电阻。本发明不仅具有比传统的铂对电极更低的成本、更佳的化学稳定性，而且其染料敏化太阳电池的转换效率已略高于同条件下铂对电极，有助于低成本、高效染料敏化太阳电池(特别是柔性染料敏化太阳电池)的大规模工业化生产。
具体实施方式
实施例1：
1)混料：先按1∶0.6重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶0.06∶0.1∶2.67的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
所述的多孔碳颗粒的粒径为1μm～10μm，孔径为2～50nm，孔隙率为45～55％，比表面积为650～1000m2/g；
细小金属颗粒采用粒径为100nm～2μm的银；
导电基底为透明导电玻璃；
粘结剂为羟甲基纤维素；
2)涂层：采用刮涂法将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为20μm；
3)烧结：在160℃下保温2h，获得高孔隙碳基复合对电极。
将上述获得的复合对电极用于染料敏化太阳电池。染料敏化太阳电池的短路电流、开路电压、填充因子和转换效率分别为15.80mA/cm2，0.725V，0.518和5.93％。上述复合对电极组装的染料敏化太阳电池的转换效率略高于同条件下铂对电极组装的染料敏化太阳电池。后者的短路电流、开路电压、填充因子和转换效率分别为19.3mA/cm2，0.662V，0.452和5.78％。
实施例2：
1)混料：先按1∶0.2重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶乙醇水溶液＝1∶0.01∶1的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g；
细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的铝；
导电基底为金属基底；
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为50μm；
3)烧结：在80℃下保温2h，获得高孔隙碳基复合对电极。
实施例3：
1)混料：先按1∶1.0重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶0.3∶0.05∶2的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g；
细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的铜铬合金；
导电基底为碳质基底；
粘结剂为羟乙基纤维素；
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为30μm；
3)烧结：在120℃下保温1.5h，获得高孔隙碳基复合对电极。
实施例4：
1)混料：先按1∶0.8重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶0.1∶0.15∶3的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g；
细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的钨；
导电基底为导电高分子基底；
粘结剂为甲基纤维素；
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为1μm；
3)烧结：在150℃下保温1h，获得高孔隙碳基复合对电极。
实施例5：
1)混料：先按1∶1.3重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶0.4∶0.18∶1.5的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g；
细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的铁和镍的混合物；
导电基底为透明导电玻璃；
粘结剂为羟丙基纤维素；
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为40μm；
3)烧结：在200℃下保温0.5h，获得高孔隙碳基复合对电极。
实施例6：
1)混料：先按1∶1.5重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶0.5∶0.2∶2.4的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g；
细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的银、铜和钨的混合物；
导电基底为透明导电玻璃、金属基底、碳质基底或导电高分子基底。
粘结剂为羟乙基纤维素和甲基纤维素的混合物。
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为10μm；
3)烧结：在100℃下保温2h，获得高孔隙碳基复合对电极。

Claims (6)

1.一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极，其特征在于：该高孔隙碳基复合对电极包括导电基底以及覆盖在所述导电基底上的一层由弥散分布的细小金属颗粒和多孔碳颗粒组成的复合催化层。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极，其特征在于：所述的细小金属颗粒采用粒径为10nm～10μm的银、铜、铝、钨、铁、镍及其合金中的一种或一种以上任意比例的混合物。
3.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极，其特征在于：所述的多孔碳颗粒的粒径为10nm～50μm，孔径为2nm～100nm，孔隙率为30～80％，比表面积为100～3000m2/g。
4.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极，其特征在于：所述的导电基底为透明导电玻璃、金属基底、碳质基底或导电高分子基底。
5.一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)混料：先按1∶0.2～1∶5重量比将无水乙醇和去离子水均匀混合制成乙醇水溶液；再按多孔碳颗粒∶金属颗粒∶粘结剂∶乙醇水溶液＝1∶(0.01～0.5)∶(0～0.2)∶(1～3)的重量比混合，通过研磨获得混合浆料；
2)涂层：采用刮涂法或丝网印刷技术将混合浆料涂覆在导电基底上，涂层厚度为1μm～50μm；
3)烧结：在80～200℃下保温0.5～2h，获得高孔隙碳基复合对电极。
6.根据权利要求5所述的用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂为甲基纤维素、乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟乙基纤维素、羟丙基纤维素中的一种或一种以上任意比例的混合物。
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