CN102779650B - 一种用于染料敏化太阳电池的碳对电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于染料敏化太阳电池的碳对电极的制备方法，以碳颗粒、氧化锌溶胶、水、曲拉通为起始原料，经混料、涂层、烧结制得碳对电极。烧结阶段，混合于碳浆料中的氧化锌溶胶原位生成高电子迁移率的氧化锌颗粒或网络，均匀地分布于碳颗粒之间以及碳颗粒和导电基底之间，起着粘结作用，不仅增强了碳颗粒与导电基底的结合进而改善碳对电极的稳定性，而且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进而改善碳对电极的催化活性和串阻。因此，该方法获得的碳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与铂对电极相当，有助于低成本、高效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碳对电极的制备方法
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碳对电极的制备方法。
背景技术
1991年瑞士科学家教授发明的染料敏化太阳电池无疑对解决当今世界的能源问题开辟了一条新途径。染料敏化太阳电池具有目前占市场主导地位的晶体硅太阳电池所不具备的众多优点：1）低成本，约为晶体硅太阳电池的1/4～1/5；2）可制成柔性器件；3）易于与建筑集成。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。但是，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，不利于产业化，而且存在易被电解质腐蚀的现象，导致器件稳定性下降。因此，非铂对电极的开发是染料敏化太阳电池大规模产业化面临的关键问题之一，迫切需解决。
在目前开发的非铂对电极中，以碳材料为催化材料的碳对电极展现出一定的优势：成本较低、来源广泛、催化性能较佳、化学性能稳定等。由于碳材料应用于对电极时均以粉末状或颗粒状存在，在制备碳对电极时需先配制碳浆料，随后将浆料沉积在导电基底上，经烧结后得到碳对电极。为了使碳颗粒连接成膜以及和衬底具有较好的接触，通常在配制浆料时加入一定量的有机粘结剂（如羟乙基纤维素、羧甲基纤维素等）或者无机粘结剂（如二氧化钛、二氧化锡等）。
发明内容
本发明的目的在于提供一种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与铂对电极相当的用于染料敏化太阳电池的碳对电极的制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：（15～150）的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按碳颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：（0.2～5）：（1～10）：（0.05～0.5）的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用刮涂法、丝网印刷技术或喷涂法将黑色碳混合浆料沉积在导电基底上，涂层厚度为1μm～50μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于200～600℃保温0.1～2h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
所述的碳颗粒采用粒径为10nm～50μm的炭黑、石墨、介孔碳、微孔碳、活性碳、玻璃碳中的一种或一种以上任意比例的混合物。
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。
所述的步骤3）的烧结采用氮气保护或空气气氛以5～20℃/min的升温速率自室温升温到200～600℃。
本发明通过在混料阶段加入氧化锌溶胶，经烧结氧化锌溶胶原位生成高电子迁移率的氧化锌颗粒或网络，均匀地分布于碳颗粒之间以及碳颗粒和导电基底之间，起着粘结作用，不仅增强了碳颗粒与导电基底的结合进而改善碳对电极的稳定性，而且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进而改善碳对电极的催化活性和串阻。本发明获得的碳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与铂对电极相当，有助于低成本、高效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：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：31.53的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按粒径为100nm～10μm介孔碳颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：1.5：8：0.15的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用刮涂法将黑色碳混合浆料沉积在导电基底即透明导电玻璃基底上，涂层厚度为12μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于空气气氛中以10℃/min的升温速率自室温升温到300℃保温0.7h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
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14.95mA/cm2,0.741V,0.611和6.77%。上述复合对电极组装的染料敏化太阳电池的转换效率与同条件下铂对电极组装的染料敏化太阳电池相当。后者的短路电流、开路电压、填充因子和转换效率分别为14.34mA/cm2,0.716V,0.687和7.05%。。
实施例2：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：15的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按粒径为10nm～1μm炭黑颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：3：5：0.3的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用丝网印刷技术将黑色碳混合浆料沉积在导电基底即金属基底上，涂层厚度为1μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于氮气保护气氛中以5℃/min的升温速率自室温升温到500℃保温0.5h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
实施例3：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：60的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按粒径为10nm～50μm石墨颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：0.2：1：0.1的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用喷涂法将黑色碳混合浆料沉积在导电基底即导电高分子基底上，涂层厚度为50μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于空气气氛中以12℃/min的升温速率自室温升温到200℃保温2h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
实施例4：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：120的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按粒径为10nm～10μm微孔碳颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：1：3：0.05的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用刮涂法将黑色碳混合浆料沉积在导电基底即金属基底基底上，涂层厚度为30μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于氮气保护气氛中以15℃/min的升温速率自室温升温到400℃保温1.5h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
实施例5：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：100的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按粒径为100nm～10μm活性碳颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：2：6：0.5的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用丝网印刷技术将黑色碳混合浆料沉积在导电基底即透明导电玻璃基底上，涂层厚度为20μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于氮气保护气氛中以8℃/min的升温速率自室温升温到350℃保温1.5h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
实施例6：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：150的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按粒径为10nm～20
μm玻璃碳颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：5：10：0.2的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用喷涂法将黑色碳混合浆料沉积在导电基底即碳质基底上，涂层厚度为40μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于氮气保护气氛中以20℃/min的升温速率自室温升温到600℃保温0.1h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。

Claims (4)

1.一种用于染料敏化太阳电池的碳对电极的制备方法，其特征在于：
1）混料：首先，按乙醇胺：二水合乙酸锌：乙二醇甲醚=1：3.594：（15～150）的重量比混合后在60℃下搅拌得淡黄色透明氧化锌溶胶；再按碳颗粒：氧化锌溶胶：水：曲拉通=1：（0.2～5）：（1～10）：（0.05～0.5）的重量比通过研磨或球磨获得黑色碳混合浆料；
2）涂层：采用刮涂法、丝网印刷技术或喷涂法将黑色碳混合浆料沉积在导电基底上，涂层厚度为1μm～50μm；
3）烧结：将步骤2）的产物置于200～600℃保温0.1～2h制成染料敏化太阳电池的碳对电极。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳对电极的制备方法，其特征在于：所述的碳颗粒采用粒径为10nm～50μm的炭黑、石墨、介孔碳、微孔碳、活性碳、玻璃碳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碳对电极的制备方法，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。
4.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳对电极的制备方法，其特征在于：所述的步骤3）的烧结采用氮气保护或空气气氛以5～20℃/min的升温速率自室温升温到200～600℃。
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