CN103280319A - 一种染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法，该方法以曲拉通X-100为碳源配置前驱体溶液，将前驱体溶液高速悬涂在导电基底上，然后将导电基底在500℃氩气保护气氛中烧结0.5h即得所需电极。本发明具有成本低廉，操作简单，过程可控等优点，在最优条件下制备的透明碳电极具有高透光性，高机械稳定性以及可观的电化学催化性能，同时克服了传统碳电极不透明且机械性能差的缺点，可用于制备能够正反面进光的透明染料敏化太阳能电池，从而提高光的利用率，进一步降低了电池的生产成本。

Description

一种染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法
  
技术领域
本发明涉及一种染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法，属于光伏器件技术领域。 
背景技术
染料敏化太阳能电池是模仿光合作用原理研制出来的一种新一代太阳能电池，相比与传统太阳能电池，其主要优势是：成本低、工艺技术相对简单、可塑性好，所使用的材料都是无毒，无污染的，具有广阔的应用前景。染料敏化太阳能电池通常由附着染料的二氧化钛光阳极，含有氧化还原电对的电解质和负载金属铂的对电极构成，传统的铂对电极造价昂贵，不适合电池的大面积生产，因此，发展廉价且制备过程简便的非铂对电极成为染料敏化太阳能电池产业化的必经之路。 
目前所研究的染料敏化太阳能电池多为正面进光模式，即从光阳极一面入光，若制备出高透光性的对电极，电池便可以实现双面进光，即从光阳极一面和对电极一面同时进光，如图1所示。具备双面进光能力的太阳能电池可以提高对入射光的利用率，在更小的面积下产生更多的电能，从而进一步降低染料敏化太阳能电池的生产成本，相比于单面进光的太阳能电池，双面进光的电池更适合商业化生产，并且有着更广泛的实际应用前景。如大型建筑物的屋顶和窗户可以使用双面进光的太阳能电池，实现同时从光阳极一面吸收入射的太阳光和从对电极一面吸收周围建筑物反射的太阳光的过程，电子产品也利用双面入光的太阳能电池，在发电的同时起到装饰的效果。 
迄今为止，碳电极被认为最有可能取代铂电极应用到染料敏化太阳能电池的实际生产中，然而一般的碳电极为了获得良好的催化性能通常需要一定的厚度，大约在十几到几十个微米左右，因此很难实现透明化，而且目前报道的很多染料敏化太阳能电池用碳电极，如碳纳米管，石墨烯，多孔碳等制备过程复杂，生产成本也不低，所以探寻新型的高效透明碳电极也是染料敏化太阳能电池中应用领域的一个重要课题。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法，该方法利用原位碳化技术制备出来的透明碳电极具有高透明性，高催化活性和高机械稳定性，可用于取代铂电极制备能够双面进光的染料敏化太阳能电池。 
本发明的染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法，包含以下步骤： 
    （1）选取纯曲拉通X-100作为前驱体，或配置曲拉通X-100溶液作为前驱体；
    （2） 将（1）所得的曲拉通X-100或曲拉通X-100溶液悬涂在导电基底上，先于400rpm/min的低速下悬涂8s,再于1600-2500rpm/min的高速下悬涂12s。
    （3）将（2）中导电基底于500℃氩气保护气氛中烧结0.5h。 
     步骤（1）中所述的曲拉通X-100溶液的体积浓度为5%-50%。 
     所述的曲拉通X-100溶液为由曲拉通X-100和异丙醇构成的二元组分溶液或由曲拉通X-100和乙酰丙酮构成的二元组分溶液。 
     所述的曲拉通X-100溶液也可以为由曲拉通X-100和异丙醇、乙酰丙酮构成的三元组分溶液，其中异丙醇和乙酰丙酮的体积比为1:1。 
     步骤（2）中，所述的导电基底为FTO导电玻璃。 
    与现有制备碳电极的技术相比，本发明具有以下优点和有益效果： 
1、原料成本更加低廉，制备过程简单，快速，可重复性高。
2、所制备的碳电极高度透明，同时与基底的粘附性好，可用于组装双面进光的染料敏化太阳能电池。 
3、所制备的碳电极具备高催化活性，用其组装的电池和用铂组装的电池光电转换效率相当，并且由于双面入光的优势，光的利用率进一步被提高，电池成本也进一步降低。 
附图说明
图1为本发明所述的双面进光太阳能电池的示意图。 
图2为本发明实例1，实例5，实例6的数码照片图。 
图3为本发明实例1，实例5，实例6以及FTO导电玻璃的光学透射谱图。 
图4为由本发明实例1，实例5，实例6以及铂对电极所组装成的太阳能电池IV性能对比图。 
具体实施方式
以下通过一些具体实施方式来更加详细地说明本发明，但本具体实施方式并非对其保护范围的限制。 
实例1 
将2mL乙酰丙酮溶于2mL异丙醇中，再向其中加入2mL曲拉通X-100,待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
    实例2 
将2mL乙酰丙酮溶于2mL异丙醇中，再向其中加入1mL曲拉通X-100,待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例3 
将2mL乙酰丙酮溶于2mL异丙醇中，再向其中加入0.4mL曲拉通X-100,待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例4 
将2mL乙酰丙酮溶于2mL异丙醇中，再向其中加入0.2mL曲拉通X-100,待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
    实例5 
将2mL曲拉通X-100溶于2mL 异丙醇中，待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
    实例6 
将2mL曲拉通X-100溶于2mL 乙酰丙酮中，待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例7 
将曲拉通X-100逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：1600rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例8 
    将2mL乙酰丙酮溶于2mL异丙醇中，再向其中加入4mL曲拉通X-100,待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：2000rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例9 
将2mL乙酰丙酮溶于2mL异丙醇中，再向其中加入4mL曲拉通X-100,待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：2500rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例10 
将2mL曲拉通X-100溶于2mL 异丙醇中，待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：2500rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例11 
将2mL曲拉通X-100溶于2mL 乙酰丙酮中，待混合溶液搅拌均匀后将其逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：2500rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
实例12 
将曲拉通X-100逐滴滴在固定在匀胶机上的FTO导电玻璃上，待溶液铺满FTO导电玻璃后开始甩胶，甩胶过程参数设定为：低速：400rpm/min，高速：2500rpm/min。将甩完胶的FTO导电玻璃放入管式炉中在通氩气的情况下500℃烧结0.5h。
将上述实例1、5、6中的透明碳对电极拍摄数码照片，结果如图2所示，均可以看到电极下面的武汉大学标志。 
将上述实例1、5、6中的透明碳对电极放入型号为Lambda 650S Perkin Elmer的紫外可见光谱仪中测试其光学透射性能，以FTO导电玻璃为参照物，结果如图3所示。 
    从图2和图3中可以看出采用本发明制备出的碳对电极有很好的光学透明性，其光学透射率已经和透明导电基底（FTO导电玻璃）相当。有利于该碳电极在制备可双面进光的染料敏化太阳能电池中的应用。 
    将上述实例1、5、6 中的透明碳对电极组装成可双面进光的染料敏化太阳能电池测试性能并与铂对电极进行对比，结果如图4所示。 
所述的染料敏化太阳能电池的光阳极为约12um厚的多孔二氧化钛膜，染料为N719,电解质的组分是：1.0mol/L 1-甲基-3-丙基碘化咪唑鎓(PMII)，0.05mol/L 碘化锂（LiI2）， 
0.03mol/L I2 ，0.1mol/L 硫氰酸胍（GuSCN),0.5mol/L 四叔丁基吡啶（TBP），溶剂为体积比1:1的乙腈和碳酸丙烯酯的混合溶液。  
     测试条件：采用美国的Oriel 91192型号的标准500W模拟太阳光氙灯作为光源，辐照强度为75W/cm2，电池受光照面积为0.25cm2 。
     具体测得的电池参数如表1所示。 
  
表 1
电极类型 开路电压 （V） 短路电流密度（mA/cm2） 填充因子 转换效率（%）
铂电极 0.742 9.95 0.70 6.89
实例1 正面入光 0.721 10.52 0.60 6.07
实例1 背面入光 0.704 8.64 0.62 5.04
实例5 正面入光 0.694 9.43 0.53 4.59
实例5 背面入光 0.675 6.55 0.61 3.58
实例6 正面入光 0.715 9.54 0.60 5.45
实例6 背面入光 0.709 7.11 0.64 4.28
从表1中可以看出，采用本发明制备的透明碳对电极组装的太阳能电池转换效率和由传统铂电极组装的电池的转换效率相当，并且获得了很高的背面入光效率，使得该透明碳电极有着很大的应用前景。

Claims (5)

1.一种染料敏化太阳能电池中透明碳电极的制备方法，其特征在于：
  （1）选取纯曲拉通X-100作为前驱体，或配置曲拉通X-100溶液作为前驱体；
  （2）将（1）所得的曲拉通X-100或曲拉通溶液悬涂在导电基底上，先于400rpm/min的低速下悬涂8s,再于1600-2500rpm/min的高速下悬涂12s；
  （3）将（2）中导电基底于500℃氩气保护气氛中烧结0.5h。
2.   根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的曲拉通X-100溶液的体积浓度为5%-50%。
3.   根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于,所述的曲拉通X-100溶液为由曲拉通X-100和异丙醇构成的二元组分溶液或由曲拉通X-100和乙酰丙酮构成的二元组分溶液。
4.   根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的曲拉通X-100溶液为由曲拉通X-100和异丙醇、乙酰丙酮构成的三元组分溶液，其中异丙醇和乙酰丙酮的体积比为1:1。
5.   根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的导电基底为FTO导电玻璃。
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