CN102751105B

CN102751105B - 一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

Info

Publication number: CN102751105B
Application number: CN201210216007.8A
Authority: CN
Inventors: 徐征; 赵谡玲; 徐叙瑢
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: CN102751105A

Abstract

一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，涉及电极材料的制备。该光阳极由无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯均匀混合涂覆在基底材料表面，其无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料及石墨烯占总质量的质量百分比分别为40%-83%、15%-20%、2%-40%。本发明制备的光阳极具有很好的导电性，很好的导热性及力学性能，且生产成本很低，制备方法简单，价格便宜，质量轻，具有溶液可处理性，成型加工好，不需大型复杂的仪器，可制备各种尺寸及形状的样品。此外，对于无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯的混合比例给出了最佳的范围，在本发明提出的数值范围能够得到最佳性能的光阳极，在相同的实验条件下，能够得到较高光电转换效率的染料敏化太阳能电池。

Description

一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于染料敏化太阳能电池的光阳极的制备方法，属于电极材料制备技术领域。

背景技术

社会在高速发展的同时，人类正面临着前所未有的能源危机和环境污染，对可再生能源的利用成为人类可持续发展的必由之路。太阳能电池作为无污染清洁能源设备，其发展受到世界各国政府的高度重视。目前广泛应用的主要是硅基太阳能电池，但其价格十分昂贵。染料敏化太阳能电池具有成本低、稳定性高、环境友好、可制备成柔性电池等优点，是最有希望替代传统硅基光伏电池的新型太阳能电池。

传统制备DSSC光阳极的方法是在纳米TiO₂颗粒中添加表面活性剂，然后通过丝网印刷、直接涂膜等方法在导电基底上沉积纳米TiO₂颗粒膜，经高温热处理得到DSSC光阳极。该方法制备的光阳极主要缺点是孔隙率相对较低，比表面积不够高，且由于颗粒间接触不理想导致电子扩散系数较小，从而阻碍DSSC电池光电转换效率的提高。鉴于此，探索新方法制备大比表面积和均一孔径分布的光阳极对提高DSSC的转换效率具有较大意义。

石墨烯是由碳原子在二维空间上紧密堆积成六边形晶格结构的一种新型材料。石墨烯是构成零位富勒烯，一维碳纳米管，三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯是一种没有能隙的物质，显示金属性；单层的石墨烯，每个碳原子都有一个未成键的电子，因此具有非常好的导电性。由于石墨烯优异的机械性能和物理性能，成为材料科学的研究热点之一。石墨烯具有非常大的比表面积和良好的导电性能是良好的电极材料。

近年来，不同种类的电极材料混合后制得的电极，得到了广泛的研究。尤其是石墨烯和金属氧化物按一定的比例混合后，制作的复合电极更是得到了广泛的关注。在研究的过程中发现石墨烯容易发生团簇现象，混合不均匀，不能充分利用石墨烯的优异的性能，导致该复合电极的性能没有明显的提高。

发明内容

本发明的目的提供一种具有良好的电化学性能的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，该太阳能电池光阳极生产成本低，制备方法简单，价格便宜，质量轻，具有溶液可处理性，成型加工好等特点。

本发明是通过下述技术方案来实现的：一种染料敏化太阳能电池的光阳极，所述的光阳极由无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯均匀混合涂覆在基底材料表面，其中无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯占总质量的质量百分比分别为40%-83%、15%-20%、2%-40%。

一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：以纳米结构的、大比表面积的石墨烯为原料，和无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料混合，涂覆在基底材料表面，制备染料敏化太阳能电池光阳极，制备方法包括如下步骤：

第一步：将具有水溶性的单层或多层石墨烯溶于水或者有机溶剂中，超声波处理至其完全溶解；石墨烯溶液的浓度为10.5-28mg/ml；

第二步：将无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料和第一步得到的石墨烯溶液混合均匀并进行超声分散，得到混合材料，其中无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯占总质量的质量百分比分别为40%-83%、15%-20%、2%-40%；

第三步：将第二步得到混合材料制备到基底材料的表面上，常温下放置48h以上，晾干后获得单层或多层石墨烯的复合薄膜；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、聚苯乙烯和聚酯高分子基底；

第四步：将第三步制备到基底材料表面获得的单层或多层石墨烯的复合薄膜，经过还原剂进行还原，获得基于单层或多层石墨烯的光阳极；或在氮气或氩气的保护下，于650-800℃焙烧后，获得基于单层或多层石墨烯的光阳极。

优选的，所述具有水溶性的单层或多层石墨烯通过石墨化学氧化方法或者石墨有机功能化方法获得。

优选的，所述无机纳米颗粒为TiO₂、ZnO、SnO₂、Nb₂O₅、Al₂O₃、In₂O₃、CuO、NiO、MgO、SiO₂中的一种或一种以上的氧化物。

优选的，所述第三步中的制备到基底材料的表面上的方法包括浸泡、旋涂或喷涂。

优选的，所述还原剂为纯肼溶液、肼蒸汽、水合肼蒸汽或硼氢化钠。

优选的，所述有机溶剂是丙酮或N，N-二甲基甲酰胺DMF。

本发明是以是石墨为原料，通过化学方法制备水溶性的单层或多层石墨烯，然后通过有机功能化的方法，制备有机可溶的单层或多层石墨烯，通过涂覆的方法将混合有无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯溶液的混合物制备到基底材料的表面上成型，最后经化学还原或焙烧即可获得基于单层或多层石墨烯的光阳极。该制备方法制备的光阳极具有很好的导电性，同时还具有很好的导热性及力学性能，并且其生产成本很低，制备方法简单，价格便宜，质量轻，具有溶液可处理性，成型加工好，不需要大型复杂的仪器，可以制备各种尺寸及形状的样品。此外，对于无机纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯的混合比例给出了最佳的范围，在本发明提出的数值范围之间能够得到最佳性能的光阳极，特别是二氧化锰纳米材料占总质量的百分比15%-20%起到了关键的作用，占总质量的百分比超过20%或者低于15%时，制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率明显下降。

附图说明

图1为染料敏化太阳能电池的结构示意图。

图2为采用本发明染料敏化太阳能电池光阳极的SEM照片。

具体实施方式

实施例1

将通过石墨化学氧化方法获得的多层石墨烯溶于水中，超声波处理至其完全溶解，石墨烯溶液的浓度为10.5mg/ml。将ZnO纳米颗粒、MnO₂纳米材料和石墨烯溶液按照ZnO纳米颗粒、MnO₂纳米材料以及石墨烯的质量百分比分别为40%、20%、40%混合均匀，并进行超声分散。将得到的混合材料旋涂到聚酯高分子基底的表面上，常温下放置48h，晾干后获得多层石墨烯的复合薄膜。将旋涂到聚酯高分子基底表面获得的多层石墨烯的复合薄膜，经过纯肼溶液进行还原，获得基于多层石墨烯的复合光阳极。采用上述复合光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到7.23%。

实施例2

将通过石墨有机功能化方法获得的单层石墨烯溶于丙酮中，超声波处理至其完全溶解，石墨烯溶液的浓度为28mg/ml。将Nb₂O₅纳米颗粒、MnO₂纳米材料和石墨烯溶液按照Nb₂O₅纳米颗粒、MnO₂纳米材料以及石墨烯的质量百分比分别为83%、15%、2%混合均匀，并进行超声分散。将得到的混合材料喷涂到金属基底的表面上，常温下放置60h，晾干后获得单层石墨烯的复合薄膜。将喷涂到金属基底基底表面获得的单层石墨烯的复合薄膜，在氮气或氩气的保护下，于650℃焙烧后，获得基于单层石墨烯的复合光阳极。采用上述复合光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到7.28%。

实施例3

将通过石墨有机功能化方法获得的多层石墨烯溶于N，N-二甲基甲酰胺DMF中，超声波处理至其完全溶解，石墨烯溶液的浓度为20mg/ml。将Al₂O₃纳米颗粒、MnO₂纳米材料和石墨烯溶液按照Al₂O₃纳米颗粒、MnO₂纳米材料以及石墨烯的质量百分比分别为70%、18%、12%混合均匀，并进行超声分散。将得到的混合材料喷涂到透明导电玻璃基底的表面上，常温下放置72h，晾干后获得多层石墨烯的复合薄膜。将喷涂到透明导电玻璃基底的表面获得的多层石墨烯的复合薄膜，在氮气或氩气的保护下，于800℃焙烧后，获得基于多层石墨烯的复合光阳极。采用上述复合光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到7.45%。

对比例1

将通过石墨化学氧化方法获得的多层石墨烯溶于水中，超声波处理至其完全溶解，石墨烯溶液的浓度为10.5mg/ml。将ZnO纳米颗粒和石墨烯溶液按照ZnO纳米颗粒以及石墨烯的质量百分比为1：1混合均匀，并进行超声分散。将得到的混合材料旋涂到聚酯高分子基底的表面上，常温下放置48h，晾干后获得多层石墨烯的复合薄膜。将旋涂到聚酯高分子基底表面获得的多层石墨烯的复合薄膜，经过纯肼溶液进行还原，获得基于多层石墨烯的复合光阳极。采用上述复合光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到6.18%。

对比例2

将通过石墨有机功能化方法获得的单层石墨烯溶于丙酮中，超声波处理至其完全溶解，石墨烯溶液的浓度为28mg/ml。将Nb₂O₅纳米颗粒、MnO₂纳米材料和石墨烯溶液按照Nb₂O₅纳米颗粒、MnO₂纳米材料以及石墨烯的质量百分比分别为83%、10%、7%混合均匀，并进行超声分散。将得到的混合材料喷涂到金属基底的表面上，常温下放置60h，晾干后获得单层石墨烯的复合薄膜。将喷涂到金属基底表面获得的单层石墨烯的复合薄膜，在氮气或氩气的保护下，于650℃焙烧后，获得基于单层石墨烯的复合光阳极。采用上述复合光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到5.32%。

对比例3

将通过石墨有机功能化方法获得的多层石墨烯溶于N，N-二甲基甲酰胺DMF中，超声波处理至其完全溶解，石墨烯溶液的浓度为20mg/ml。将Al₂O₃纳米颗粒、MnO₂纳米材料和石墨烯溶液按照Al₂O₃纳米颗粒、MnO₂纳米材料以及石墨烯的质量百分比分别为70%、25%、5%混合均匀，并进行超声分散。将得到的混合材料喷涂到透明导电玻璃基底的表面上，常温下放置72h，晾干后获得多层石墨烯的复合薄膜。将喷涂到透明导电玻璃基底的表面获得的多层石墨烯的复合薄膜，在氮气或氩气的保护下，于800℃焙烧后，获得基于多层石墨烯的复合光阳极。采用上述复合光阳极，以N719为染料制备的染料敏化太阳能电池的光电转换效率达到5.81%。

Claims

1.一种染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：以纳米结构的、大比表面积的石墨烯为原料，和ZnO纳米颗粒、二氧化锰纳米材料混合，涂覆在聚酯高分子基底材料表面，制备染料敏化太阳能电池光阳极，制备方法包括如下步骤：

第二步：将ZnO纳米颗粒、二氧化锰纳米材料和第一步得到的石墨烯溶液混合均匀并进行超声分散，得到混合材料，其中ZnO纳米颗粒、二氧化锰纳米材料以及石墨烯占总质量的质量百分比分别为40％-83％、15％-20％、2％-40％；

第三步：将第二步得到混合材料通过浸泡、旋涂或喷涂的方法制备到基底材料的表面上，常温下放置48h以上，晾干后获得单层或多层石墨烯的复合薄膜；

第四步：将第三步制备到基底材料表面获得的单层或多层石墨烯的复合薄膜，经过还原剂纯肼溶液进行还原，获得基于单层或多层石墨烯的光阳极；或在氮气或氩气的保护下，于650-800℃焙烧后，获得基于单层或多层石墨烯的光阳极。

2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述具有水溶性的单层或多层石墨烯通过石墨化学氧化方法或者石墨有机功能化方法获得。

3.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池光阳极的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂是丙酮或N，N-二甲基甲酰胺DMF。