CN102568851A - 染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极及制备方法 - Google Patents

染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极及制备方法，属于电池设备领域，其特征在于由稻壳多级孔碳膜沉积到导电基底上制备而成，其中所用导电基底为导电玻璃或金属片。制备工艺简单，不需要特殊、复杂的设备，可适用于多种电极基底，重复性高，适合于大规模生产。多级孔碳是以生物废料稻壳为原料制备的，因此价格便宜，来源广泛，以上两点可使染料敏化太阳能电池的制造成本进一步降低。本发明制备的稻壳多级孔碳对电极催化活性高，应用于染料敏化太阳能电池中，相同条件下可以取得与传统铂对电极电池相当的光电转换效率。

Description

染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极及制备方法
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极及制备方法，属于电池设备领域。
背景技术
染料敏化太阳能电池由于制作工艺简单、成本低、转换效率高而受到广泛关注。做为染料敏化太阳能电池的主要组成部分，对电极的主要作用是接受外电路来的电子并催化还原电解质中的I3 -为I-。目前染料敏化太阳能电池对电极主要是将铂沉积在导电基底上制备的铂对电极。虽然铂催化活性高，但铂是稀有贵金属，价格太高，而且在含有I-/I3 -氧化还原对的电解质中稳定性不好。近年来，出现了采用碳材料代替铂制备低价对电极的报道。由于碳材料对I3 -还原的催化活性点主要是材料中的晶边和缺陷，因此结晶性差和比表面积大的碳材料具有较高的催化活性。人工合成的高比表面积的碳材料虽然可应用于染料敏化太阳能电池，但由于其合成过程中需要大量的模板剂，而且工艺过程复杂，制备所需时间较长。因此，不利于染料敏化太阳能电池的大规模生产和应用。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极及制备方法，能使染料敏化太阳能电池保持较高的光电效率，而且还可以降低其制备成本，有利于染料敏化太阳能电池的大规模工业化生产与实际应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极，其特征在于由稻壳多级孔碳膜沉积到导电基底上制备而成，其中所用导电基底为导电玻璃或金属片。
所述的导电基底上沉积的多级孔碳层厚度为1～50μm。
所述的导电基底上沉积的多级孔碳层厚度优选为3～30μm。
所述的染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极的制备方法包括如下步骤：
(1)将稻壳多级孔碳研磨，然后与溶剂和添加剂混合，经过充分搅拌和研磨，形成均匀的碳浆；
(2)将步骤(1)中的碳浆通过刮涂或印刷的方法均匀涂到电极导电基底表面；
(3)将步骤(2)中制备的覆盖稻壳多级孔碳薄膜的导电基板在室温下、空气气氛中晾干，然后在150～500度、氮气气氛下烧结5～30分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
所述步骤(1)碳浆中稻壳多级孔碳的质量分数为1～50份，溶剂的质量分数为45～95份，添加剂的质量分数为0.005～10份。
所述溶剂为异丙醇、正丁醇或乙醇中的一种或一种以上的混合物。
所述添加剂为四氯化钛、钛酸丁酯或异丙氧醇钛中的一种或一种以上的混合物。
本发明是一种以生物质废料稻壳制备的多级孔碳为电催化剂的染料敏化太阳能电池对电极及制备方法。生物质废料稻壳可再生，产量极大，以稻壳为原料制备多级孔碳工艺过程简单，因此所制备的多级孔碳价格极便宜。同时稻壳制备的多级孔碳材料比表面积大，结晶性较差，因此对染料敏化太阳能电池电解质中的氧化还原对有很高的催化活性。用这种多级孔碳制备对电极，不仅能使染料敏化太阳能电池保持较高的光电效率，而且还可以进一步降低其制备成本，有利于染料敏化太阳能电池的大规模工业化生产与实际应用。
本发明的有益效果是：
1、制备工艺简单，不需要特殊、复杂的设备，可适用于多种电极基底，重复性高，适合于大规模生产。
2、多级孔碳是以生物废料稻壳为原料制备的，因此价格便宜，来源广泛，以上两点可使染料敏化太阳能电池的制造成本进一步降低。
3、本发明制备的稻壳多级孔碳对电极催化活性高，应用于染料敏化太阳能电池中，相同条件下可以取得与传统铂对电极电池相当的光电转换效率。
附图说明
图1为本发明实施例9的以稻壳多级孔碳电极和铂电极组装的染料敏化太阳能电池的光电曲线图；
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例1
100mg稻壳多级孔碳粉与3g正丁醇、1mg异丙氧醇钛混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用刮涂法均匀涂到预先清洗干净的导电玻璃表面，碳层厚度10μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例2
100mg稻壳多级孔碳粉与3g异丙醇、0.5mg异丙氧醇钛混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用刮涂法均匀涂到预先清洗干净的导电玻璃表面，碳层厚度10μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例3
100mg稻壳多级孔碳粉与3g乙醇、1.5mg钛酸丁酯混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用印刷法均匀涂到预先清洗干净的导电玻璃表面，碳层厚度15μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例4
100mg稻壳多级孔碳粉与1.5g正丁醇+1.5g乙醇、1mg四氯钛混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用刮涂法均匀涂到预先清洗干净的钛片表面，碳层厚度10μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例5
100mg稻壳多级孔碳粉与3g正丁醇、1.5mg异丙氧醇钛混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用刮涂法均匀涂到预先清洗干净的导电玻璃表面，碳层厚度15μm。室温下干燥后，在350度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例6
100mg稻壳多级孔碳粉与1g正丁醇+1g正丁醇+1g乙醇、0.5mg四氯化钛+0.5mg异丙氧醇钛+0.5mg钛酸丁酯混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用刮涂法均匀涂到预先清洗干净的钛片表面，碳层厚度20μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例7
100mg稻壳多级孔碳粉与5g正丁醇、0.3mg异丙氧醇钛混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用印刷法均匀涂到预先清洗干净的导电玻璃表面，碳层厚度5μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例8
100mg稻壳多级孔碳粉与3g异丙醇、0.5mg钛酸丁酯混合，研磨分散3个小时，形成均匀碳浆，将碳浆用刮涂法均匀涂到预先清洗干净的导电玻璃表面，碳层厚度10μm。室温下干燥后，在300度、氮气气氛下热处理15分分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
实施例9
制备稻壳碳对电极染料敏化太阳能电池
首先对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料溶液中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上压上实施例2制备稻壳碳对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
测量实施例9制备的染料敏化太阳能电池光电转化效率。电池的光电I-V曲线如图1所示.
电池性能的测试是通过从电池的的工作电极与对电极上引出两条导线接到电池性能测试装置上。电池的工作面积为0.2cm-2，光照强度是100mw/cm2。填充因子(ff)是指在I-V曲线中可获得最大输出功率的点上的电流电压乘积(Iopt×Vopt)与Isc×Voc(Isc为短路光电流，Voc为开路光电压)之比，它体现电池的输出功率随负载的变动特性。光电转换效率(η)则是Iopt×Vopt与输入的光功率Pin之比。
由图1计算稻壳多级孔碳对电极电池的短路光电流、开路光电压、填充因子和光电转换效率分别为14.53mAcm-2、0.702V、.067和6.83％。相同条件下铂电极电池的光电转换效率为7.19％。

Claims (7)

1.一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极，其特征在于由稻壳多级孔碳膜沉积到导电基底上制备而成，其中所用导电基底为导电玻璃或金属片。
2.权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极，其特征在于所述的导电基底上沉积的多级孔碳层厚度为1～50μm。
3.权利要求1或2所述的一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极，其特征在于所述的导电基底上沉积的多级孔碳层厚度优选为3～30μm。
4.权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极，其特征在于所述的染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极的制备方法包括如下步骤：
(1)将稻壳多级孔碳研磨，然后与溶剂和添加剂混合，经过充分搅拌和研磨，形成均匀的碳浆；
(2)将步骤(1)中的碳浆通过刮涂或印刷的方法均匀涂到电极导电基底表面；
(3)将步骤(2)中制备的覆盖稻壳多级孔碳薄膜的导电基板在室温下、空气气氛中晾干，然后在150～500度、氮气气氛下烧结5～30分钟，制备出稻壳多级孔碳对电极。
5.根据权利要求3所述的一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极制备方法，其特征在于：步骤(1)碳浆中稻壳多级孔碳的质量分数为1～50份，溶剂的质量分数为45～95份，添加剂的质量分数为0.005～10份。
6.根据权利要求4所述的一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极制备方法，其特征在于所述溶剂为异丙醇、正丁醇或乙醇中的一种或一种以上的混合物。
7.根据权利要求3所述的一种染料敏化太阳能电池稻壳多级孔碳对电极制备方法，其特征在于所述添加剂为四氯化钛、钛酸丁酯或异丙氧醇钛中的一种或一种以上的混合物。
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