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一种用于染料敏化太阳能电池对电极的杂多酸复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag‑Dawson型杂多酸复合材料及其制备方法。基于碳量子点具有优异的导电性且能够在材料表面形成水溶性保护，银具备优异的电子传输性，以及Dawson型杂多酸的阴离子能够提供电子储存区域，三者协同作用可以使得I3 ‑在对电极上快速得到电子再生成I‑，制备得到的染料敏化太阳能电池光电转换效率可以到达9.2％，制备方法简单。此外利用渐进式加热方式进行水热反应，在较低温度使得银离子、碳量子点均匀分散，之后进行快速升温、适度保温反应最终形成碳量子点均匀包覆的碳量子点/银/Ag‑Dawson型杂多酸复合材料，省略了表面活性剂且得到均匀粒子。

Description

一种用于染料敏化太阳能电池对电极的杂多酸复合材料及其 制备方法
技术领域
本发明碳基复合材料制备技术领域，特别是涉及一种碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料及其制备方法。
背景技术
染料敏化太阳能电池主要有以下几个部分组成：光阳极、电解质和对电极。对电极是染料敏化太阳电池的重要组成部分，其作用是传输电子和催化作用，提高电池的填充因子。从机理上说，I3 -在对电极上得到电子再生成I-，该反应越快，光电响应越好。铂对电极由于其电阻小和催化效果好，目前在导电玻璃上镀一层铂，能够较好解决上述问题。但是铂的价格昂贵、比表面积小，不利于产业化应用，因此寻找廉价的、传输性能优异的对电极材料，便成为迫切需要解决的问题。
碳量子点是碳纳米材料家族中的新成员，具有吸收光谱宽、抗光漂白性能好、无毒性、易于功能化、能够高产率制备等特性，有望在光电子器件等技术领域显示其广阔的应用前景[Angew.Chem.Int.Ed,2010,49,6726-6244；Chem.Comm.2012,48.3686-3705；]。加拿大多伦多大学的研究人员将碳量子点用作光敏剂构建量子点敏化的太阳能电池，其光电转化效率仅为0.13％；美国印第安娜大学的研究人员也作了类似的工作，但是其光电转化效率远远达不到实际应用的需要[NanoLett.2010,10,1869–1873]。Dawson型杂多酸具有良好的氧化还原性、低成本等特点，是一种非常具有前景的电极材料。银是一种导电性能极好的金属。目前尚未报道高效地将碳量子点、银、Dawson型杂多酸三者均匀复合并用于染料敏化太阳能电池对电极的方法。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合的制备方法，包括以下步骤：
将Ag-Dawson型杂多酸、碳量子点水溶液、水混合，超声分散后，转移至内衬四氟乙烯的反应釜中进行水热反应；水热反应反应结束后，洗涤、干燥，得到碳量子点/银/Ag-Dawson复合材料。
作为优选的，Ag-Dawson型杂多酸、碳量子点水溶液、水的固液质量比为1g：1-3ml：8ml，所述碳量子点水溶液含量为1mg-100mg/ml。
作为优选的，水热反应具体步骤为以3-5℃/min升温至60-80℃,保持1-2h,接着以8-10℃/min快速升温至120-140℃,保持30-40min,最后冷却至室温。
作为优选的，超声分散时间为3-5min。
作为优选的，干燥条件为在50℃下真空干燥12h。
作为优选的，Ag-Dawson型杂多酸是将硝酸银和H型Dawson型杂多酸在室温下研磨10-30min获得的，其中硝酸银和H型Dawson型杂多酸质量比为1:4。
作为优选的，所述碳量子点的制备方法为将石墨棒放入水中，在30V下连续电解120h，经过滤、洗涤获得的。
本发明还提供了一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料，所述碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料为采用上述方法制备形成的。
本发明基于碳量子点具有优异的导电性且能够在材料表面形成水溶性保护，银具备优异的电子传输性，以及Dawson型杂多酸的阴离子能够提供电子储存区域，三者协同作用可以使得I3 -在对电极上快速得到电子再生成I-，电响应优异，制备得到的染料敏化太阳能电池光电转换效率可以到达9.2％，且制备方法简单，价格便宜，具有溶液可处理性。此外，本发明的制备方法与现有技术相比还具有下列优点：
(1)基于银的生成反应较快，利用渐进式加热方式进行水热反应，且在较低温度使得银离子、碳量子点均匀分散，之后进行快速升温、适度保温反应最终形成碳量子点均匀包覆的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料，省略了表面活性剂且得到均匀粒子。
(2)水热反应温和，且能确保得到的粒子粒度均匀。
(3)本发明的制备过程简单，降低了生产能耗，易于工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的碳量子点/银/Ag2P18O62的扫描电镜显微图。
图2为本发明实施例1获得的的碳量子点/银/Ag2P18O62的透射电镜显微图。
图3为本发明实施例1获得的的碳量子点/银/Ag2P18O62的高分辨透射电镜显微图。
图4为本发明实施例1获得的的碳量子点/银/Ag2P18O62的X射线粉末衍射图。
图5为本发明实施例4获得的碳量子点/银/Ag2P18O62的扫描电镜显微图。
具体实施方式
实施例1：
一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银和4g H2P18O62在室温下研磨20min获得的Ag2P18O62；
(2)将步骤1中的产物和5ml碳量子点水溶液、40ml水混合，超声4min，碳量子点水溶液浓度为5mg/ml；
(3)将上述溶液转移至内衬四氟乙烯的反应釜中进行水热反应，反应具体步骤为以4℃/min升温至70℃,保持1h,接着以9℃/min快速升温至130℃,保持30min,最后冷却至室温；
(4)洗涤、50℃下真空干燥12h，即得碳量子点/银/Ag2P18O62复合材料。
所述碳量子点的制备方法为将石墨棒放入水中，在30V下连续电解120h，经过滤、洗涤获得的。
由图1可见得到的粒子均匀，图2显示了碳量子点均匀包覆在表面，图3显示粒子中存在碳量子点、银、Ag2P18O62三者的晶格且图4显示在约38.7°处存在银的特征峰，上述均证明获得均匀稳定的碳量子点/银/Ag2P18O62复合材料。
染料敏化太阳能电池的制备：
将碳量子点/银/Ag2P18O62分散在异丙醇中，形成均匀、稳定的分散液体系，浓度为1mg/mL。
将导电玻璃清洗干净，然后预热到90℃，然后用喷涂的方法将溶有碳量子点/银/Ag2P18O62的分散液涂到预热的导电玻璃基底上，形成一层薄膜，厚度约为6微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出染料敏化太阳能电池对电极。
对导电玻璃进行预处理，然后将二氧化钛浆料涂敷在处理好的导电玻璃上，高温处理后浸入染料中吸附过夜形成电池的工作电极，在工作电极上覆盖上述制备的氮掺杂石墨烯对电极，两电极间的缝隙填充含有I-/I3 -氧化还原对的电解质，制备成染料敏化太阳能电池。
将上述方法制备的太阳能电池进行测试，开路电压为0.69V，短路电流为18.6mA/cm2，填充因子为0.72，得到光电转换效率为9.2％。
实施例2：
一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银和4g H2P18O62在室温下研磨20min获得的Ag2P18O62；
(2)将步骤1中的产物和5ml碳量子点水溶液、40ml水混合，超声4min，碳量子点水溶液浓度为5mg/ml；
(3)将上述溶液转移至内衬四氟乙烯的反应釜中进行水热反应，反应具体步骤为以5℃/min升温至80℃,保持1h,接着以10℃/min快速升温至140℃,保持30min,最后冷却至室温；
(4)洗涤、50℃下真空干燥12h，即得碳量子点/银/Ag2P18O62复合材料。
所述碳量子点的制备方法为将石墨棒放入水中，在30V下连续电解120h，经过滤、洗涤获得的。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为16.2mA/cm2，填充因子为0.7，光电转换效率为8.5％。
实施例3：
一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银和4g H2P18O62在室温下研磨20min获得的Ag2P18O62；
(2)将步骤1中的产物和5ml碳量子点水溶液、40ml水混合，超声4min，碳量子点水溶液浓度为5mg/ml；
(3)将上述溶液转移至内衬四氟乙烯的反应釜中进行水热反应，反应具体步骤为以3℃/min升温至60℃,保持1h,接着以8℃/min快速升温至120℃,保持30min,最后冷却至室温；
(4)洗涤、50℃下真空干燥12h，即得碳量子点/银/Ag2P18O62复合材料。
所述碳量子点的制备方法为将石墨棒放入水中，在30V下连续电解120h，经过滤、洗涤获得的。
利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.68V，短路电流为15.8mA/cm2，填充因子为0.69，光电转换效率为8.2％。
实施例4：
一种用于染料敏化太阳能电池对电极的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合的制备方法，其中水热反应条件为以9℃/min快速升温至120℃,保持1.5h,最后冷却至室温，其他步骤与实施例1相同。
如图5所示获得粒子不太均匀，利用实施例1的太阳能电池制备和测试方法，获得太阳能电池的获得太阳能电池的开路电压为0.69V，短路电流为13.2mA/cm2，填充因子为0.67，光电转换效率为6.1％。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
将Ag-Dawson型杂多酸、碳量子点水溶液、水混合，超声分散后，转移至内衬四氟乙烯的反应釜中进行水热反应；水热反应反应结束后，洗涤、干燥，得到碳量子点/银/Ag-Dawson复合材料。
2.根据权利要求1所述的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸的制备方法，其特征在于：Ag-Dawson型杂多酸、碳量子点水溶液、水的固液质量比为1g：1-3ml：8ml，所述碳量子点水溶液含量为1mg-100mg/ml。
3.根据权利要求1所述的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸的制备方法，其特征在于：所述水热反应具体步骤为以3-5℃/min升温至60-80℃,保持1-2h,接着以8-10℃/min快速升温至120-140℃,保持30-40min,最后冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸的制备方法，其特征在于：所述超声分散时间为3-5min。
5.根据权利要求1所述的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸的制备方法，其特征在于：所述干燥条件为在50℃下真空干燥12h。
6.根据权利要求1所述的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸的制备方法，其特征在于：所述Ag-Dawson型杂多酸是将硝酸银和H型Dawson型杂多酸在室温下研磨20min获得的，其中硝酸银和H型Dawson型杂多酸质量比为1:4。
7.根据权利要求1所述的碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸的制备方法，其特征在于：所述碳量子点的制备方法为将石墨棒放入水中，在30V下连续电解120h，经过滤、洗涤获得的。
8.一种碳量子点/银/Ag-Dawson型杂多酸复合材料，其特征在于，采用权利要求1-7任一项所述的方法制备形成的。
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