CN103035414A - 一种染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法、由该方法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极、以及所述对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。所述染料敏化太阳能电池对电极的制备方法包括将含有结构如式（1）所示的噻吩单体的溶液涂覆在导电基底上并去除溶剂，得到初生膜，然后将所述初生膜进行热处理，使得所述噻吩单体聚合，得到包括导电基底和附着在所述导电基底上的聚合物层的染料敏化太阳能电池对电极；其中，R为Br或I。采用本发明提供的方法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极具有与铂对电极相当的催化性能。

Description

一种染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法、由该方法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极、以及所述对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
背景技术
随着社会经济的可持续发展，能源危机与环境污染的日益加剧已成为全球人类所面临的严重问题。太阳能取之不尽、用之不竭，从能源长久与环境友好的角度考虑，综合利用太阳能是最安全、最环保且最长远的方法之一。与硅太阳电池相比，染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells）具有廉价、稳定性好和制备简单等优点，具有很好的应用前景。
染料敏化太阳能电池主要由吸附有染料的半导体光阳极、电解质和对电极组成。对电极作为染料敏化太阳能电池的主要部分，主要起着传输电子和催化电解质中氧化还原电对（I3 -/I-）的作用。由于金属铂（Pt）对电解质氧化还原电对（I3 -/I-）具有高的催化性能。因而，成为目前常使用的对电极材料。然而，应用金属Pt作为对电极材料，也存在以下三个弊端：第一，Pt金属价格昂贵；第二，高温分解制备Pt对电极的方法无法满足柔性电池大规模生产的要求；第三，Pt金属容易与I3 -反应而被腐蚀，降低了其催化性能。因此，近些年来国内外研究者们着力寻找廉价、高效的铂替代材料作为染料敏化太阳能电池对电极，从而推进这类新型电池的广泛应用。
在研究过程中，人们发现导电聚合物可以在染料敏化太阳能电池中充当对电极材料的角色。目前，已报道的可作为对电极材料的导电聚合物包括：聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩和聚-3,4-乙撑二氧噻吩中的一种或多种。制备导电聚合物对电极的方法主要包括催化聚合法、电化学法等。然而，采用这些导电聚合物与方法制备得到的对电极在染料敏化太阳能电池中的光电转化效率还需进一步提高。
发明内容
本发明的目的是为了克服采用现有的方法和导电聚合物制备得到的染料敏化太阳能电池对电极的催化性能较低的不足，而提供一种具有高催化性能的染料敏化太阳能电池对电极的制备方法、由该方法制备得到的太阳能电池对电极、以及所述对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
本发明提供了一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其中，该方法包括将含有结构如式（1）所示的噻吩单体的溶液涂覆在导电基底上并去除溶剂，得到初生膜，然后将所述初生膜进行热处理，使得所述噻吩单体聚合，得到包括导电基底和附着在所述导电基底上的聚合物层的太阳能电池对电极；
Figure BDA00002675322200021
式（1），
其中，R为Br或I。
本发明的发明人发现，采用现有的催化聚合法和电化学法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极的催化性能还需进一步提高。推测其原因，可能是由于：一方面，采用催化聚合法制备得到的导电聚合物对电极的聚合物层中通常还残留有催化剂，这将会在一定程度上降低太阳能电池的光电转化效率；另一方面，采用电化学法制备导电聚合物对电极的影响因素很多，采用电化学法制备性能稳定的对电极材料的条件还需进一步优化。而本发明提供的结构如式（1）所示的噻吩单体中的溴或氯具有较高的活性，能够在不加入催化剂的情况下进行固态热聚合，消除了残余催化剂对光电转化效率的影响，得到的染料敏化太阳能电池具有较高的光电转化效率。此外，采用本发明的方法简单，极具工业应用前景。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为测试例1、测试例2和对比测试例1得到的染料敏化太阳能电池的光电流-电压曲线图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明提供的太阳能电池对电极的制备方法包括将含有结构如式（1）所示的噻吩单体的溶液涂覆在导电基底上并去除溶剂，得到初生膜，然后将所述初生膜进行热处理，使得所述噻吩单体聚合，得到包括导电基底和附着在所述导电基底上的聚合物层的太阳能电池对电极；
式（1），
其中，R为Br或I。
根据本发明，所述R特别优选为Br，此时所述噻吩单体为2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体，这样能够使得到的对电极在染料敏化太阳能电池中取得更高的光电转化效率。
本发明对所述含有噻吩单体的溶液的浓度没有特别地限定，可以根据实际情况进行合理选择，例如，可以为0.05-1g/mL，优选为0.05-0.3g/mL，更优选为0.05-0.15g/mL。
其中，所述含有噻吩单体的溶液中溶剂的种类可以为本领域的常规选择，可以为现有的各种能够用作反应介质、且不与反应物发生作用的溶剂。一般地，所述溶剂可以为选自二氯甲烷、三氯甲烷、丙酮、二甲基亚砜和二甲基亚酰胺中的一种或多种。从易于将溶剂去除的角度出发，所述溶剂优选自二氯甲烷、三氯甲烷和丙酮中的一种或多种。
本发明对将含有噻吩单体的溶液涂覆在导电基底上的方法没有特别地限定，可以为旋涂、淋涂、喷涂等，优选为旋涂，这样能够使得到的聚合物层的厚度更为均匀。
根据本发明，去除所述有机溶剂的方法为本领域技术人员公知，例如，可以在室温（25℃）下，将涂覆在导电基底上的含有结构如式（1）所示的噻吩单体的溶液中的溶剂自然挥发。需要说明的是，将溶剂去除不是指绝对地去除，而是去除至本领域技术人员通常理解的初生膜中可接受的溶剂的量。一般来说，以所述初生膜的总重量为基准，其中溶剂的含量不高于5重量%。
根据本发明，所述含有噻吩单体的溶液的用量可以根据实际情况进行合理地选择，例如，可以使得形成的聚合物层的厚度为2-8μm，这样能够使得到的太阳能电池对电极具有较高的光电转化效率。
本发明对将所述初生膜进行热处理的条件没有特别地限定，只要能够使得所述噻吩单体进行聚合即可，通常来说，所述热处理的条件包括处理温度和处理时间。为了更有利于聚合反应的进行，所述热处理的温度优选为35-90℃。所述热处理的时间的延长有利于噻吩单体转化率的提高，但过长的处理时间对噻吩单体转化率提高的幅度并不明显，因此，综合考虑效果和效率，所述处理时间优选为5-24小时。
根据本发明，所述导电基底的种类和厚度均可以为本领域的常规选择，例如，所述导电基底的厚度可以为0.2-3mm。所述导电基底可以为选自掺氟的二氧化锡（简称：FTO）导电玻璃、氧化铟锡（简称：ITO）导电玻璃、镀氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯（简称：PET-ITO）、镀氧化铟锡的聚萘二甲酸乙二醇酯（简称：PEN-ITO）、碳、石墨和导电金属中的一种或多种。所述导电金属的种类为本领域技术人员公知，例如，可以为不锈钢、金、铁、铜等。
本发明还提供了由上述方法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极。
此外，本发明还提供了所述染料敏化太阳能电池对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
以下实施例和对比例中，热处理之后，初生膜由无色变成黑色，表明噻吩单体已经转化为噻吩聚合物。
实施例1
该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法和应用。
（1）噻吩单体的制备：
根据文献Chem.Mater.1996,8,882-889的方法合成噻吩单体。具体步骤如下：首先，将3克（0.021摩尔）3,4-乙烯二氧噻吩和8克（0.045摩尔）N-溴代丁二酰亚胺溶解在100毫升三氯甲烷和冰醋酸的混合溶液中（体积比为1:1），并在惰性气体保护下常温（25℃）搅拌回流3小时。然后向溶液中加入100毫升去离子水并分离出其中的有机相溶液。向有机相溶液中加入碳酸氢钠溶液直到不再产生气泡为止，并再次分离出有机相溶液。将有机相溶液通过层析硅胶柱，获得无色透明溶液。最后，将溶液在35℃旋转蒸发，得到4克白色固体状的2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体。
（2）染料敏化太阳能电池对电极的制备：
将步骤（1）得到的2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体溶解在三氯甲烷中配成浓度为0.1g/mL的溶液，取350μL该溶液旋涂在面积为12cm2的FTO导电玻璃（购置于日本Nippon Sheet Glass公司，厚度为2.2mm，面电阻为15欧姆/□，下同）上，待三氯甲烷挥发后，2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体在FTO导电玻璃上形成均匀的白色初生膜。然后将上述初生膜在80℃下热处理12小时，经热处理后，白色的初生膜变成黑色，表明2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体已经发生固态聚合反应，得到包括FTO导电玻璃和附着在所述FTO导电玻璃上的聚合物层的对电极E1。通过扫描电子显微镜（SEM，购置日本日立公司，型号为Hitachi S4800，下同）测得聚合物层的厚度约为3μm。
实施例2
该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法和应用。
（1）噻吩单体的制备：
与实施例1相同。
（2）染料敏化太阳能电池对电极的制备：
将步骤（1）得到的2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体溶解在三氯甲烷中配成浓度为0.2g/mL的溶液，取350μL该溶液旋涂在面积为12cm2的FTO导电玻璃上，待三氯甲烷挥发后，2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体在FTO导电玻璃上形成均匀的白色初生膜。然后将上述初生膜在35℃下热处理24小时，经热处理后，白色的初生膜变成黑色，表明2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体已经发生固态聚合反应，得到包括FTO导电玻璃和附着在所述FTO导电玻璃上的聚合物层的对电极E2。通过扫描电子显微镜测得聚合物层的厚度约为5μm。
实施例3
该实施例用于说明本发明提供的染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法和应用。
（1）噻吩单体的制备：
与实施例1相同。
（2）染料敏化太阳能电池对电极的制备：
将步骤（1）得到的2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体溶解在三氯甲烷中配成浓度为0.3g/mL的溶液，取350μL该溶液旋涂在面积为12cm2的FTO导电玻璃上，待三氯甲烷挥发后，2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体在FTO导电玻璃上形成均匀的白色初生膜。然后将上述初生膜在90℃下热处理5小时，经热处理后，白色的初生膜变成黑色，表明2,5-二溴-3,4-乙烯二氧噻吩单体已经发生固态聚合反应，得到包括FTO导电玻璃和附着在所述FTO导电玻璃上的聚合物层的对电极E3。通过扫描电子显微镜测得聚合物层的厚度约为8μm。
测试例1
该测试例用于说明本发明的染料敏化太阳能电池性能的测试。
将吸附有染料N3（购自瑞士Solaronix公司）的TiO2（购自武汉格奥公司）多孔薄膜电极置于干净的台面上，并将打好尺寸为0.6cm×0.6cm小孔的Surlyn1702（购自瑞士Solaronix公司，厚度为25μm）热封膜叠放在上述TiO2多孔薄膜电极上，往孔中滴加电解液（电解液的组成成份为0.05mol/L碘、0.5mol/L碘化锂、0.3mol/L的1-己基-3-甲基咪唑碘、0.5mol/L叔丁基吡啶和0.3mol/L的N-甲基苯并咪唑，溶剂为3-甲氧基丙腈），然后在热封膜表面盖上对电极E1，并在吸附有染料N3的TiO2多孔薄膜电极外表面上放上带有孔径为0.4cm×0.5cm的钢制模具作为掩膜（mask），以保证工作电极的光照面积相同，得到染料敏化太阳能电池T1。
染料敏化太阳能电池T1在100mW/cm2的模拟太阳光照射下的光电流-电压曲线如图1所示。从图1中可以看出，该染料敏化太阳能电池T1的开路光电压为0.705V，短路光电流为16.26mA/cm2，填充因子为0.62，光电转换效率为7.11%。
测试例2
测试例2用于说明本发明的染料敏化太阳能电池性能的测试。
按照测试例1的方法制备染料敏化太阳能电池并对其性能进行测试，不同的是，所述对电极E1用对电极E2替代，得到染料敏化太阳能电池T2。
染料敏化太阳能电池T2在100mW/cm2的模拟太阳光照射下的光电流-电压曲线如图1所示。从图1中可以看出，该染料敏化太阳能电池T2的开路光电压为0.705V，短路光电流为15.21mA/cm2，填充因子为0.62，光电转换效率为6.65%。
测试例3
测试例3用于说明本发明的染料敏化太阳能电池性能的测试。
按照测试例1的方法制备染料敏化太阳能电池并对其性能进行测试，不同的是，所述对电极E1用对电极E3替代，得到染料敏化太阳能电池T3。
染料敏化太阳能电池T3在100mW/cm2的模拟太阳光照射下的开路光电压为0.695V，短路光电流为15.91mA/cm2，填充因子为0.54，光电转换效率为5.97%。
对比测试例1
对比测试例1用于说明参比染料敏化太阳能电池性能的测试。
按照测试例1的方法制备染料敏化太阳能电池并对其性能进行测试，不同的是，所述对电极E1用与对电极E1尺寸相同的铂电极替代，得到参比染料敏化太阳能电池DT1。
参比染料敏化太阳能电池DT1在100mW/cm2的模拟太阳光照射下的光电流-电压曲线如图1所示。从图1可以看出，该参比染料敏化太阳能电池DT1的开路光电压为0.705V，短路光电流为15.71mA/cm2，填充因子为0.63，光电转换效率为6.98%。
从以上实施例和对比例的对比可以看出，采用本发明提供的方法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极具有较高的催化性能，能够与铂对电极相媲美，在染料敏化太阳能电池中有很大的潜在应用价值。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于，该方法包括将含有结构如式（1）所示的噻吩单体的溶液涂覆在导电基底上并去除溶剂，得到初生膜，然后将所述初生膜进行热处理，使得所述噻吩单体聚合，得到包括导电基底和附着在所述导电基底上的聚合物层的太阳能电池对电极；
Figure FDA00002675322100011
式（1），
其中，R为Br或I。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述R为Br。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，含有噻吩单体的溶液的浓度为0.05-0.3g/mL。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其中，含有噻吩单体的溶液的用量使得形成的聚合物层的厚度为2-8μm。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述热处理的条件包括温度为35-90℃，时间为5-24小时。
6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，所述导电基底的厚度为0.2-3mm。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述导电基底为选自掺氟的二氧化锡导电玻璃、氧化铟锡导电玻璃、镀氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯、镀氧化铟锡的聚萘二甲酸乙二醇酯、碳、石墨和导电金属中的一种或多种。
8.由权利要求1-7中任意一项所述的方法制备得到的染料敏化太阳能电池对电极。
9.权利要求8所述的染料敏化太阳能电池对电极在染料敏化太阳能电池中的应用。
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