CN102789906A - 染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法包括，执行步骤S1：Pt浆料的制备；所述Pt浆料的制备包括，分别量取氯铂酸，曲通拉，去离子水；将所述氯铂酸、曲通拉、去离子水混合均匀；在所述混合溶液中加入硼氢化钠，并在室温下反应；执行步骤S2：载Pt对电极的制备；所述载Pt对电极的制备包括，将具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在调节剂的水溶液中；从所述水溶液中取出，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中；从所述Pt浆料中取出并烘干。本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法不仅可在低温条件下制备柔性载Pt对电极，而且可以自由调控Pt负载量，同时通过本发明所制备的载Pt对电极不仅载铂量小、均匀度高，而且传输电阻小、透光性好，并适应产业化大面积生产。

Description

染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法

技术领域

本发明涉及太阳能电池技术领域，尤其涉及一种染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法。

背景技术

近年来，由于金属纳米颗粒具有独特的光学、电学、磁学，以及催化等特性，使得金属纳米颗粒表面吸附成为了研究热点之一。对电极作为DSCs的重要组件，通常是将Pt薄膜吸附在导电基底上。对电极的主要作用是将外部电子传输到具有氧化还原电对的电解质中，同时对氧化还原电对的还原过程起到催化作用。

DSCs的研究目前集中在以下几个方面：电子传输过程的理论分析和模型建立，电子传输过程的理论分析和，电子传输过程的理论分析和模型建立，电解质的固态化替代等。在DSCs对电极方面的研究比较少。传统DSCs对电极的制备通常是采用化学热分解的方法，将配制好的氯铂酸溶液均匀的涂覆在导电玻璃基底上，在420℃下恒温30 min，之后自然冷却到80℃，形成具有良好导电和镜面特征的铂电极。但是，对柔性DSCs而言，对电极为PEN/ITO基底，耐高温性能差，在超过150℃时即发生形变或脆裂。为了满足柔性DSCs的工艺，大连理工大学马廷丽等人通过射频磁控溅射的方法低温制备了具有不同厚度的Pt对电极，并指出在Pt厚度为2 nm时的光电转换效率可达5%。随着Pt厚度继续增加，DSCs的光电转换性能变化不再明显。Lee K J等人同样采用射频磁控溅射的方法，在40°时溅射沉积Pt，获得光电转换性能为4.61%的DSCs。

柔性DSCs的对电极主要是用表面涂有铟锡氧化物导电层的聚酯为基底，通过溅射方法在基底表面沉积少量的Pt而形成。虽然Pt对提高DSCs的效率作用明显，但是由于Pt是贵金属，增加了柔性DSCs的制造成本，研究者们开始考虑使用价格低廉、性能较高的碳或者高分子聚合物作为柔性DSCs的对电极。

最近，胡志强报道了以炭黑和氯化聚乙酸乙烯酯为原料，采用丝网印刷法制备了柔性DSCs的碳对电极，且发现掺杂少量石墨粉能提高碳对电极的导电性，电池效率达到0.458%。Lee等人也报道了用PProDOT-Et2取代Pt作为柔性DSCs的对电极。Suzuki等人利用碳纳米管作对电极以取代Pt。Saito等人将聚乙烯二氧噻吩形成在导电基底上以作对电极。

但是，所述磁控溅射制备Pt对电极需要高真空条件，载铂量大，制造成本高；成膜致密，催化性能差，不适于产业化要求。另外，采用碳类材料制备的新型对电极材料组装的DSCs性能明显下降。因此，寻求开发一种工艺简单，载铂量小且均匀度高，性能优良，成本低廉的柔性对电极的制作方法是本行业亟待解决的问题。

故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法。

发明内容

本发明是针对现有技术中，传统的柔性载Pt对电极制备方法中需要高真空条件，载铂量大，制造成本高；成膜致密，催化性能差，不适于产业化要求，以及采用碳类材料制备的新型对电极材料组装的DSCs性能明显下降等缺陷提供一种染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法包括，

执行步骤S1：Pt浆料的制备；所述Pt浆料的制备进一步包括，首先，分别量取氯铂酸，曲通拉，去离子水；然后，将所述氯铂酸、曲通拉、去离子水混合均匀；最后，在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠，并在室温下反应，以获取Pt浆料；

执行步骤S2：载Pt对电极的制备；所述载Pt对电极的制备进一步包括，首先，将具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在调节剂的水溶液中；然后，从所述水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中；最后，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底并烘干，以获得所述载Pt对电极。

可选的，所述氯铂酸，曲通拉，去离子水的比例分别为量取质量百分比为0.2%~5%的氯铂酸1~20ml，作为分散剂的曲通拉50~500μl，去离子水20~200ml，并在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠2~150mg，室温下反应10~60min；或者各计量为上述配比的相同比例。

可选的，所述氯铂酸，曲通拉，去离子水的比例分别为量取质量百分比为1%的氯铂酸4ml，作为分散剂的曲通拉100μl，去离子水36ml，并在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠23mg，室温下反应30min；或者各计量为上述配比的相同比例。

可选的，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在0.5~15%调节剂的水溶液中在40~100℃下浸泡2~30min。

可选的，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在调节剂的水溶液中在60℃下浸泡5min。

可选的，从所述调节剂的水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中，在室温下浸泡1~60min。

可选的，从所述调节剂的水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中，在室温下浸泡5min。

可选的，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并在100~130℃下烘干5~60min。

可选的，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并在130℃下烘干30min，以获得所述载Pt对电极。

可选的，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底为PEN/ITO、PET/ITO、PEN/AZO、PET/AZO、PEN/FTO、PET/FTO中的一种，或者具有导电特性的高分子材料以及金属衬底。

可选的，所述调节剂为铜的螯合物。

综上所述，本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法不仅可在低温条件下制备柔性载Pt对电极，而且可以自由调控Pt负载量，同时通过本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的载Pt对电极不仅载铂量小、均匀度高，而且传输电阻小、透光性好，并适应产业化大面积生产。

附图说明

图1所示为本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法流程图；

图2所示为采用本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的载Pt对电极并组装成第一染料敏化太阳电池的结构示意图；

图3所示为采用传统柔性载Pt对电极的制造方法所制备的载Pt对电极并组装成第二染料敏化太阳电池的结构示意图；

图4所示为第一载Pt对电极和第二载Pt对电极电化学性质测试的塔菲尔曲线；

图5所示为第一染料敏化太阳电池和第二染料敏化太阳电池的交流阻抗测试曲线；

图6所示为第一载Pt对电极和第二载Pt对电极透光性测试曲线；

图7所示为是第一染料敏化太阳电池和第二染料敏化太阳电池的I-V曲线。

具体实施方式

为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，图1所示为本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法流程图。所述染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法包括以下步骤：

执行步骤S1：Pt浆料的制备；具体包括，首先，分别量取质量百分比为0.2%~5%的氯铂酸1~20ml，作为分散剂的曲通拉50~500μl，去离子水20~200ml；然后，将所述氯铂酸、曲通拉、去离子水按比例混合均匀；最后，在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠2~150mg，并在室温下反应约10~60min，以获取Pt浆料；或者各计量为上述配比的相同比例。

在本实施例中，优选地，首先，分别量取质量百分比为1%的氯铂酸4ml，作为分散剂的曲通拉100μl，去离子水36ml；然后，将所述氯铂酸、曲通拉、去离子水按比例混合均匀；最后，在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠23mg，并在室温下反应约30min，以获取Pt浆料；或者各计量为上述配比的相同比例。

执行步骤S2：载Pt对电极的制备。首先，将具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在含有体积分数为0.5~15%的调节剂的水溶液中，并在40~100℃下浸泡2~30min；然后，从所述水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中，在室温下浸泡1~60min；最后，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并在100~130℃下烘干5~60min，以获得所述载Pt对电极。

在本实施例中，优选的，首先，将具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在含有体积分数为4%的调节剂的水溶液中，并在60℃下浸泡5min；然后，从所述水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中，在室温下浸泡5min；最后，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并在130℃下烘干30min，以获得所述载Pt对电极。

其中，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底包括但不限于PEN/ITO、PET/ITO、PEN/AZO、PET/AZO等。显然地，具有导电特性的高分子材料以及金属衬底均属于本发明所述的基底。所述调节剂为铜的螯合物。

请接续参阅图1，在本发明所述染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法中，将具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在含有体积分数为0.5~15%的调节剂的水溶液中，并在40~100℃下浸泡2~30min，不仅可以提高载Pt粘附力，而且增强Pt的催化活性。另一方面，在Pt浆料的制备过程中，加入作为分散剂的曲通拉50~500μl，不仅获取的Pt颗粒粒径小、不聚集，而且增加Pt与电解质的接触面积，提升载Pt对电极的催化性能。明显的，本发明所述染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法可在低温下实施，并根据不同计量配比实现Pt负载量的自由调控。

请参阅图2、图3，图2所示为采用本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的载Pt对电极并组装成第一染料敏化太阳电池的结构示意图。图3所示为采用传统柔性载Pt对电极的制造方法所制备的载Pt对电极并组装成第二染料敏化太阳电池的结构示意图。为了直观的体现本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法的有益效果，在本实施例中，采用传统方法制备了载Pt对电极，并组装成第二染料敏化太阳电池，以进行比较。其中，所述第一染料敏化太阳电池和所述第二染料敏化太阳电池相同的部件采用相同的数字编号，不同之处在于所述第一染料敏化太阳电池和所述第二染料敏化太阳电池的第一对电极和第二对电极的制备方法不同，本发明柔性载Pt对电极的制造方法定义为Dipping，传统柔性载Pt对电极的制造方法定义为CR（chemical reduction）。

所述传统制备载Pt对电极的方法任一列举的为喷涂法，具体步骤如下：首先，把质量分数为0.5%的氯铂酸的异丙醇溶液均匀的涂布在ITO-PEN导电膜上，并在120℃条件下将所述电极烘干30min；然后，将所述电极浸入含有硼氢化钠112mg，乙醇20ml，去离子水8ml的溶液中浸泡15min；最后，将电极在120℃下烘30min，以获得传统载Pt对电极。

请继续参阅图2、图3，所述第一染料敏化太阳电池1的制备方法进一步包括：首先，采用本行业公知的技术方法，在具有透明导电氧化物10的衬底11上设置纳米晶半导体氧化物12，并吸附染料13，以形成工作电极14；然后，在相同实验条件下，以0.1 M 碘化锂，0.3 M 1,2-二甲基-3-丙基-咪唑碘，0.05 M 碘，和 0.5M 叔丁基吡啶的乙腈溶液为原料制备电解质溶液15；最后，采用本发明所述染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的第一载Pt对电极16与所述工作电极14、电解质溶液15组装形成第一染料敏化太阳电池1。

同样地，所述第二染料敏化太阳电池2的制备方法进一步包括：首先，采用本行业公知的技术方法，在具有透明导电氧化物10的衬底11上设置纳米晶半导体氧化物12，并吸附染料13，以形成工作电极14；然后，在相同实验条件下，以0.1 M 碘化锂，0.3 M 1, 2-二甲基-3-丙基-咪唑碘，0.05 M 碘，和 0.5M 叔丁基吡啶的乙腈溶液为原料制备电解质溶液15；最后，采用传统柔性载Pt对电极的制造方法所制备的第二载Pt对电极20与所述工作电极14、电解质溶液15组装形成第二染料敏化太阳电池2。

请参阅图4，图4所示为第一载Pt对电极和第二载Pt对电极电化学性质测试的塔菲尔曲线。其中，测试的扫描范围为-0.8V~+0.8V，扫描速度为0.01V/s。明显地，图4表征了所述第一载Pt对电极16较第二载Pt对电极20具有更大的交换电流密度和极限电流密度，并进一步说明本发明染料敏化太阳光电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的第一载Pt对电极16能够更有效的起到催化作用，促进I^3-还原为I^-。

请参阅图5，图5所示为第一染料敏化太阳电池和第二染料敏化太阳电池的交流阻抗测试曲线。其中，扫描频率范围为100 mHz~1 MHz，振幅10 mV。明显地，采用本发明染料敏化太阳光电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的第一载Pt对电极16具有更小的传输电阻。

请参阅图6，图6所示为第一载Pt对电极和第二载Pt对电极透光性测试曲线。以空气作为空白的参比，明显地，本发明染料敏化太阳光电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的第一载Pt对电极16具有更高的透光率。

请参阅图7，图7所示为是第一染料敏化太阳电池和第二染料敏化太阳电池的I-V曲线。其中，实线表征第一染料敏化太阳电池1的I-V曲线，虚线表征第二染料敏化太阳能电池2的I-V曲线。表1所示为第一染料敏化太阳电池1和第二染料敏化太阳电池2的性能图表。从所述表1可以看出，虽然所述第一染料敏化太阳电池1和第二染料敏化太阳电池2的开路电压基本相同，但基于本发明染料敏化太阳光电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的第一载Pt对电极16所组装的第一染料敏化太阳电池1的短路电流和填充因子都较高，得到的电池效率也较高。即本发明所述染料敏化太阳光电池柔性载Pt对电极的制造方法是极具潜力的，并适于柔性载Pt对电极产业化生产的优选工艺方法。

表一：染料敏化太阳能电池的参数

对电极	开路电压(V)	短路电流(mA/cm-2)	填充因子(%)	转换效率(%)
					本发明方法	0.76	14.23	0.64	6.95
传统方法	0.75	14.15	0.62	6.64

综上所述，本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法不仅可在低温条件下制备柔性载Pt对电极，而且可以自由调控Pt负载量，同时通过本发明染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法所制备的载Pt对电极不仅载铂量小、均匀度高，而且传输电阻小、透光性好，并适应产业化大面积生产。

本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，包括，

执行步骤S1：Pt浆料的制备；所述Pt浆料的制备进一步包括，首先，分别量取氯铂酸，曲通拉，去离子水；然后，将所述氯铂酸、曲通拉、去离子水混合均匀；最后，在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠，并在室温下反应，以获取Pt浆料；

执行步骤S2：载Pt对电极的制备；所述载Pt对电极的制备进一步包括，首先，将具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在调节剂的水溶液中；然后，从所述水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中；最后，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底并烘干，以获得所述载Pt对电极；

2.如权利要求1所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，所述氯铂酸，曲通拉，去离子水的比例分别为量取质量百分比为0.2%~5%的氯铂酸1~20ml，作为分散剂的曲通拉50~500μl，去离子水20~200ml，并在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠2~150mg，室温下反应10~60min；或者各计量为上述配比的相同比例。

3.如权利要求2所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，所述氯铂酸，曲通拉，去离子水的比例分别为量取质量百分比为1%的氯铂酸4ml，作为分散剂的曲通拉100μl，去离子水36ml，并在所述氯铂酸、曲通拉、去离子水的混合溶液中加入硼氢化钠23mg，室温下反应30min；或者各计量为上述配比的相同比例。

4.如权利要求1所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在0.5~15%调节剂的水溶液中在40~100℃下浸泡2~30min。

5.如权利要求4所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底浸泡在4%调节剂的水溶液中在60℃下浸泡5min。

6.如权利要求1所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，从所述调节剂的水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中，在室温下浸泡1~60min。

7.如权利要求6所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，从所述调节剂的水溶液中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并浸入步骤1所制备的Pt浆料中，在室温下浸泡5min。

8.如权利要求7所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，从所述Pt浆料中取出所述具有透明导电氧化物的聚合物基底，并在100~130℃下烘干5~60min。

9.如权利要求1所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，所述具有透明导电氧化物的聚合物基底为PEN/ITO、PET/ITO、PEN/AZO、PET/AZO、PEN/FTO、PET/FTO中的一种，或者具有导电特性的高分子材料以及金属衬底。

10.如权利要求1~9任一权利要求所述的染料敏化太阳电池柔性载Pt对电极的制造方法，其特征在于，所述调节剂为铜的螯合物。

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