CN103109335A - 导电聚合物-碳材料复合对电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于染料敏化太阳能电池的导电聚合物-碳材料复合对电极，包括一层导电基底（3），和涂覆在导电基底（3）上的碳材料（1）及导电聚合物（2）。还提供了一种导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，包括步骤：将碳材料（1）和导电聚合物（2）配置成均匀的悬浮液，清洗导电基底（3），将导电基底（3）进行表面处理，将悬浮液涂覆于导电基底（3）上并干燥，以获得该复合电极对。
Description
本发明涉及太阳能电池领域，具体涉及一种用于染料敏化太阳能电池的导电聚合物-碳材料复合对电极及其制备方法。
上个世纪九十年代，瑞士洛桑高等工业学校的M.Gratzel等首次将过渡金属钌的有机配合物作为染料吸附在二氧化钛纳米晶多孔膜电池，电池能量转换效率达到了7.1%。1993年,
M.Gratzel等人再次报道了光电转换效率达10%的染料敏化纳米太阳能电池。到1997年，其光电转换效率已经达到了11%，至此，染料敏化太阳能电池引起了全世界的关注。
这种电池主要由透明导电基片、多孔纳米晶薄膜、敏化剂、电解质（I-/I3 -）溶液和透明对电极组成。对电极主要是使电解质溶液中的电子供体（I-）在提供电子以后，扩散到对电极，并在对电极得到电子而还原。而对电极的催化还原活性决定了对电极/电解液界面上的电荷迁移速度的快慢，而电荷迁移速度则直接影响了
I3 - 与 TiO2
导带中电子发生复合的几率，速度越快，则复合几率越小，电荷损失的就越小，反之，则电荷损失越大。高效的对电极，必须满足催化活性高，电阻低以及耐腐蚀性等特点。传统的铂对电极虽然催化活性很好，但其本身是一种昂贵的稀有材料，且制备工艺比较复杂，不利于未来的大规模生产和应用。
本发明所要解决的技术问题是提供一种高性能、低成本的用于染料敏化太阳能电池的导电聚合物-碳材料复合对电极及其制备方法以解决传统的白金对电极昂贵、以及其制备方法复杂等问题。
解决本发明技术问题的技术方案是：提供一种导电聚合物-碳材料复合对电极，用于染料敏化太阳能电池，所述导电聚合物-碳材料复合对电极包括一层导电基底，所述导电聚合物-碳材料复合对电极还包括涂覆在所述导电基底上的碳材料和导电聚合物。
作为本发明导电聚合物-碳材料复合对电极的进一步改进，所述碳材料为石墨、乙炔黑、炭黑、活性炭、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯的一种或几种。
作为本发明导电聚合物-碳材料复合对电极的进一步改进，所述导电聚合物为重量比1:2~1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐混合物的水溶液。
作为本发明导电聚合物-碳材料复合对电极的进一步改进，所述导电基底为氧化铟锡玻璃、掺氟的氧化锡玻璃、碳钢、不锈钢、掺铝的氧化锌、镁-铟氧化物、镍-钨氧化物、金属氮化物、金属硒化物、金属硫化物、泡沫铜、泡沫铝、泡沫铜合金或泡沫铝合金。
以及，一种导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其包括如下步骤：
将碳材料与导电聚合物配置成均匀悬浮液；
清洗导电基底且将导电基底进行表面处理；
将所述悬浮液涂覆在所述导电基底上并干燥，即得所述导电聚合物-碳材料复合对电极。
作为本发明方法的进一步改进，在将碳材料与导电聚合物配置成均匀悬浮液的步骤包括：配置成的悬浮液的质量百分浓度为5-50%，然后超声分散30分钟。
作为本发明方法的进一步改进，所述表面处理为氧等离子处理、UV-臭氧处理、王水处理、双氧水处理、酸处理或化学抛光处理。
作为本发明方法的进一步改进，在将所述悬浮液均匀涂覆在所述导电基底上并干燥的步骤中，
将所述悬浮液均匀涂覆在所述导电基底上并干燥的步骤包括使用匀胶机将所述悬浮液旋涂在所述导电基底上，旋涂转速为每分钟500-4000转，时间为30秒，然后，放在温度为100-200℃下烘烤15-50分钟。
作为本发明方法的进一步改进，所述涂覆进一步包括刮涂。
在本发明中，聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液是一种导电率很高的高分子溶液，并具有一定的粘性，因此用它与碳材料制备成的对电极一方面可以使材料的导电性进一步得到加强，另一方面可以使材料与材料之间、材料与基底之间连接得比较紧密，使外电路的电子传输速率加快，对提高电池的性能起到了积极的作用；同时，本发明中的碳材料具有比较高的比表面积以及导电性能，这些特性可以为I3 -在对电极的氧化还原提供更多的催化活性点，使其与外电路的电子发生氧化还原反应的几率增大，这种几率的增大可以最大程度的减少了I3 -与导带电子的复合几率，从而极大的提高了电池的光伏性能。因此，制备出的对电极可获得与铂电极相近甚至更优的光伏性能。
另外，以旋涂的方式制备对电极有三种优点：一、极大的改善了制备电极中出现的重复性问题；二、可以很好的控制电极材料在基底上的均匀性；三、可以更好的控制电极材料的厚度。同时，这种制备方法在保持电池高的能量转换效率的同时，又具有很强的可操作性，极大的缩短了电池的制备流程和制作成本，有利于促进染料敏化太阳能电池的产业化和商业化。
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法的流程图；
图2是本发明导电聚合物-碳材料复合对电极的结构示意图；
图3是用实施例2的复合对电极制备出来的电池的电流密度-电压的曲线图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了提供一种导电聚合物-碳材料复合对电极，用于染料敏化太阳能电池，该导电聚合物-碳材料复合对电极由碳材料1与导电聚合物2配置成分散均匀的悬浮液，通过旋涂的方式制备在导电基底3上构成，如图2所示。
其中，该碳材料可以为石墨、乙炔黑、炭黑、活性炭、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯的一种或多种混合物。
该导电聚合物为重量比1:2~1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐混合物的水溶液。
该导电基底可以为氧化铟锡玻璃、掺氟的氧化锡玻璃、碳钢、不锈钢、掺铝的氧化锌、镁-铟氧化物、镍-钨氧化物、金属氮化物、金属硒化物、金属硫化物、泡沫铜、泡沫铝、泡沫铜合金或泡沫铝合金的金属基底。
请参阅图1，图1显示了本发明一种导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法的流程，该制备方法包括如下步骤：
步骤S01：将碳材料与导电聚合物配置成均匀悬浮液；
步骤S02：清洗导电基底且将导电基底进行表面处理；
步骤S03：将步骤S01中的悬浮液涂覆在步骤S02中的导电基底上并干燥，即得所述导电聚合物-碳材料复合对电极。
在所述步骤S01中，配置成的悬浮液的质量百分浓度为5-50%，然后超声分散30分钟。在所述步骤S02中，所述表面处理为氧等离子处理、UV-臭氧处理、王水处理、双氧水处理、酸处理或化学抛光处理。在所述步骤S03中，使用匀胶机旋涂，旋涂转速为每分钟500-4000转，时间为30秒，然后，放在温度为100℃-200℃下烘烤15-50分钟。可以理解，所述涂覆的方式也可以为其他方式，如刮涂等。
在本发明中，聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液是一种导电率很高的高分子溶液，并具有一定的粘性，因此用它与碳材料制备成的对电极一方面可以使材料的导电性进一步得到加强，另一方面可以使材料与材料之间、材料与基底之间连接得比较紧密，使外电路的电子传输速率加快，对提高电池的性能起到了积极的作用；
同时，本发明中的碳材料具有比较高的比表面积以及导电性能，这些特性可以为I3 -在对电极的氧化还原提供更多的催化活性点，使其与外电路的电子发生氧化还原反应的几率增大，这种几率的增大可以最大程度的减少了I3 -与导带电子的复合几率，从而极大的提高了电池的光伏性能。因此，制备出的对电极可获得与铂电极相近甚至更优的光伏性能。
此外，这种制备方法在保持电池高的能量转换效率的同时，又具有很强的可操作性，极大的缩短了电池的制备流程和制作成本，有利于促进染料敏化太阳能电池的产业化和商业化。
以下通过多个实施例来举例说明本发明不同制备方法以及其他特征等。
实施例1
将氧化铟锡玻璃裁成所需要的面积大小，然后依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15分钟（min），清洗干净后对其进行氧等离子处理，处理时间为5-15分钟（min），功率为10-50W。主要作用是减小导电玻璃表面的粗糙度和接触角，以利于改善导电玻璃表面的湿润性和吸附性，而且通过表面处理后能够进一步去除导电玻璃表面的有机污染物。处理完后干燥，待用；将炭黑与质量比为1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液配置成不同浓度的悬浮液（质量分数介于5-50%之间），将所配溶液滴加在匀胶机上以500-4000转/分钟的旋涂速度旋涂在导电玻璃上，旋涂时间为30秒（s），然后在150℃烘箱中烘烤30分钟，干燥后得到所需的染料敏化太阳能电池对电极。
实施例2
将氧化铟锡玻璃裁成所需要的面积大小，然后依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，清洗干净后对其进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W。将实施例1的炭黑换成活性炭，与质量比为1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液配置成不同浓度的悬浮液（质量分数介于5-50%之间），将所配溶液滴在匀胶机上以500-4000转/min的旋涂速度旋涂在氧化铟锡上，旋涂时间为30s，然后在150℃烘箱中烘烤30min，干燥后得到所需的染料敏化太阳能电池对电极。
实施例3
将氧化铟锡玻璃裁成所需要的面积大小，然后依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，清洗干净后对其进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W。将实施例1的炭黑换成活性炭，与质量比为1:4的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液配置成不同浓度的悬浮液（质量分数介于5-50%之间），将所配溶液滴在匀胶机上以500-4000转/min的旋涂速度旋涂在氧化铟锡上，旋涂时间为30s，然后在150℃烘箱中烘烤30min，干燥后得到所需的染料敏化太阳能电池对电极。
实施例4
将氧化铟锡玻璃裁成所需要的面积大小，然后依次用洗洁精，去离子水，丙酮，乙醇，异丙醇各超声15min，清洗干净后对其进行氧等离子处理，处理时间为5-15min，功率为10-50W。将实施例1的炭黑换成乙炔黑，与质量比为1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩/聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液配置成不同浓度的悬浮液（质量分数介于5-50%之间），将所配溶液滴在匀胶机上以500-4000转/min的旋涂速度旋涂在氧化铟锡上，旋涂时间为30s，然后在150℃烘箱中烘烤30min，干燥后得到所需的染料敏化太阳能电池对电极。
实施例5
将第1实施例中的氧化铟锡玻璃替换成泡沫铜，剪成所需要的面积大小，先用稀盐酸进行处理，以除去表面的氧化物，接着依次用洗洁精，去离子水乙醇和异丙醇各超声15min，处理完后干燥，待用；将炭黑与质量比为1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐水溶液配置成不同浓度的悬浮液（质量分数介于5-50%之间），将所配溶液滴加在匀胶机上以500-4000转/min的旋涂速度旋涂在导电玻璃上，旋涂时间为30s，然后在150℃烘箱中烘烤30min，干燥后得到所需的染料敏化太阳能电池对电极。
通过用以上任意一个实施例制备出的对电极，染料敏化太阳能电池的阳极基底、多孔纳米晶薄膜、染料敏化剂以及电解质可以制备太阳能电池。所选用的材料和制备方法是本领域技术人员公知的材料和制备方法。例如：TiO2多孔电极是用P25型的二氧化钛颗粒，还可采用ZnO、SnO2、Nb2O5和
SrTiO3 等纳米半导体材料。制备多孔纳米晶薄膜方法用任何合适的方式例如刮涂法、丝网印刷法、凝胶法或喷涂法。电解质采用含有0.5M
KI、0.05M I2的液态电解质。还可采用聚合物电解质。染料敏化剂采用N719，还可采用N3、黑染料或者一些高效的三苯胺类染料。
图3为利用实施例2的对电极制备出来的太阳能电池的电流密度-电压的曲线图，其测试结果与公开号为CN101562077A的中国专利进行比较，由于活性炭具有非常大的比表面积（远比炭气凝胶的要大），这个特点可使
I3 -在对电极表面的氧化还原反应加速，避免其与导带电子的复合（Imoto K, Takahashi K,
Yamaguchi T, Komura T, Nakamura J, Murata K. High-performance carbon counter
electrode for dye-sensitized solar cells[J]. Solar Energy Materials & Solar
Cells. 2003,79:
459-469.），开路电压达到了0.80V，电流达到了14.15mA/cm2，同时，以旋涂的方式制备对电极有三种优点：一、极大的改善了制备电极中出现的重复性问题；二、可以很好的控制电极材料在基底上的均匀性；三、可以更好的控制电极材料的厚度。因此，染料敏化太阳能电池的对电极（实施例2制备出的对电极）可以获得接近于铂电极甚至优于铂电极的光伏性能，是未来代替铂电极的理想材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
- 一种导电聚合物-碳材料复合对电极，用于染料敏化太阳能电池，所述导电聚合物-碳材料复合对电极包括一层导电基底，其特征在于：所述导电聚合物-碳材料复合对电极还包括涂覆在所述导电基底上的碳材料和导电聚合物。
- 如权利要求1所述的导电聚合物-碳材料复合对电极，其特征在于：所述碳材料为石墨、乙炔黑、炭黑、活性炭、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯的一种或几种。
- 如权利要求1所述的导电聚合物-碳材料复合对电极，其特征在于：所述导电聚合物为重量比1:2~1:6的聚3,4-二氧乙烯噻吩和聚苯乙烯磺酸钠盐混合物的水溶液。
- 如权利要求1所述的导电聚合物-碳材料复合对电极，其特征在于：所述导电基底为氧化铟锡玻璃、掺氟的氧化锡玻璃、碳钢、不锈钢、掺铝的氧化锌、镁-铟氧化物、镍-钨氧化物、金属氮化物、金属硒化物、金属硫化物、泡沫铜、泡沫铝、泡沫铜合金或泡沫铝合金。
- 一种导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其包括如下步骤：将碳材料与导电聚合物配置成均匀悬浮液；清洗导电基底且将导电基底进行表面处理；将所述悬浮液涂覆在所述导电基底上并干燥，即得所述导电聚合物-碳材料复合对电极。
- 如权利要求5所述的导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其特征在于：将碳材料与导电聚合物配置成均匀悬浮液的步骤包括：将碳材料与导电聚合物配置成质量百分浓度为5~50%的均匀悬浮液，然后超声分散30分钟。
- 如权利要求5所述的导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其特征在于：所述表面处理为氧等离子处理、UV-臭氧处理、王水处理、双氧水处理、酸处理或化学抛光处理。
- 如权利要求5所述的导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其特征在于：将所述悬浮液均匀涂覆在所述导电基底上并干燥的步骤包括使用匀胶机将所述悬浮液旋涂在所述导电基底上，旋涂转速为每分钟500~4000转，时间为30秒，然后，放在温度为100℃~200℃下烘烤15-50分钟。
- 如权利要求5所述的导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其特征在于：所述涂覆进一步包括刮涂。
- 如权利要求5所述的导电聚合物-碳材料复合对电极的制备方法，其特征在于：所述碳材料为石墨、乙炔黑、炭黑、活性炭、单臂碳纳米管、多壁碳纳米管、富勒烯的一种或几种。
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