CN109036857A - 一种碳基染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳基染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法。利用原位反应，微波间断式加热反应，保证得到纯净的中间产物且充分反应混合，反应时间仅需19‑45分钟，反应迅速、充分、有效，能够制备得到高效的碳基染料敏化太阳能电池对电极。对电极基于碳层具有优异的导电性且能够在材料表面形成保护，银具备优异的电子传输性，以及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对电极用于染料敏化太阳能电池的光电转换效率可以到达9.5％。
Description
技术领域
本发明属于染料敏化太阳能电池对电极制备技术领域
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。
加拿大多伦多大学的研究人员将碳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％。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。目前尚未报道简单方便的将碳、银、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，提供一种碳基染料敏化太阳能电池对电极及其简单方便的制备方法。
为实现上述目的，本发明提出的一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将硝酸银，杂多酸、含碳水溶液，在室温下研磨20-30min
(2)研磨后，转移至容器中进行持续搅拌微波加热，具体加热反应步骤为微波加热1-3分钟，停止加热，搅拌5-15分钟后，再微波加热3-5分钟，停止加热，搅拌5-15分钟后，最后微波加热5-7分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，碳基材料。
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，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基材料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5微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极。
优选的，步骤(2)中具体加热步骤为，微波加热2分钟，停止加热，搅拌10分钟后，再微波加热4分钟，停止加热，搅拌10分钟后，最后微波加热6分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌。
优选的，微波加热时温度控制在100-120℃
优选的，硝酸银，杂多酸、含碳水溶液的固液比为1g：4g：10-20ml。
优选的，杂多酸为Keggin型或者Dawson型。
优选的，所述含碳水溶液含碳量为10mg-50mg/ml。
优选的，所述含碳水溶液的制备方法为将石墨棒放入水中，在25V下连续电解60h，经过滤、洗涤，再分散获得的。
本发明还提供了一种碳基染料敏化太阳能电池对电极，为采用上述方法制备形成的。
本发明基于碳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9.5％，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)在银与杂多酸复合的研磨反应中加入含碳水溶液，发生原位反应，碳可以与其他原料充分混合，也可以在研磨过程中起到保护作用，得到更加纯净的中间产物。
(2)使用微波间断式加热反应，即能发挥微波反应快速有效的优点，又能通过间断加热，保证反应过程中充分混合反应，使得银的生成与混合间断充分发生，使得反应更加充分，最终产物更加有效。
(3)此外反应时间仅需19-45分钟，反应迅速、充分、有效，能够制备得到高效的碳基染料敏化太阳能电池对电极。制备过程简单，降低了生产能耗，易于工业化生产。
具体实施方式
实施例1：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银，4g杂多酸、15ml含碳水溶液，在室温下研磨25min
(2)研磨后，转移至容器中进行持续搅拌微波加热，具体加热反应步骤为微波加热2分钟，停止加热，搅拌10分钟后，再微波加热4分钟，停止加热，搅拌10分钟后，最后微波加热6分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌，微波加热时温度控制在110℃；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，碳基材料。
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，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基材料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5微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极。
所述含碳水溶液的制备方法为将石墨棒放入水中，在25V下连续电解60h，经过滤、洗涤，再分散获得的。含碳水溶液含碳量为30mg/ml
染料敏化太阳能电池的制备：
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碳基染料敏化太阳能电池对电极，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9.5％。
实施例2：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银，4g杂多酸、10ml含碳水溶液，在室温下研磨20min
(2)研磨后，转移至容器中进行持续搅拌微波加热，具体加热反应步骤为微波加热1分钟，停止加热，搅拌5分钟后，再微波加热3分钟，停止加热，搅拌5分钟后，最后微波加热5分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌，微波加热时温度控制在100℃；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，碳基材料。
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，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基材料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5微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极。
所述含碳水溶液的制备方法为将石墨棒放入水中，在25V下连续电解60h，经过滤、洗涤，再分散获得的。含碳水溶液含碳量为10mg/ml
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8.8％。
实施例3：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，具体步骤如下：
(1)将1g硝酸银，4g杂多酸、20ml含碳水溶液，在室温下研磨30min
(2)研磨后，转移至容器中进行持续搅拌微波加热，具体加热反应步骤为微波加热3分钟，停止加热，搅拌15分钟后，再微波加热5分钟，停止加热，搅拌15分钟后，最后微波加热7分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌，微波加热时温度控制在120℃；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，碳基材料。
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，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基材料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5微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极。
所述含碳水溶液的制备方法为将石墨棒放入水中，在25V下连续电解60h，经过滤、洗涤，再分散获得的。含碳水溶液含碳量为50mg/ml
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9.0％。
对比例1：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其中步骤(1)中将1g硝酸银，4g杂多酸，在室温下研磨25min，步骤(2)中将15ml含碳水溶液和步骤(1)研磨后的产物放入容器中，其他步骤与实施例1相同。
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7.1％。
对比例2：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其中步骤(2)中直接微波加热12min，其他步骤与实施例1相同。
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5.6％。
对比例3：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其中步骤(2)中直接在110℃下水热反应2h，其他步骤与实施例1相同。
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5.1％。
对比例4：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，步骤(1)中将1g硝酸银，4g杂多酸，在室温下研磨25min，步骤(2)中将15ml含碳水溶液和步骤(1)研磨后的产物放入容器中，其中步骤(2)中直接微波加热12min，其他步骤与实施例1相同。
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4.0％。
对比例5：
一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，步骤(1)中将1g硝酸银，4g杂多酸，在室温下研磨25min，步骤(2)中将15ml含碳水溶液和步骤(1)研磨后的产物放入容器中，其中步骤(2)中直接在110℃下水热反应2h，其他步骤与实施例1相同。
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3.8％。
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)
1.一种碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将硝酸银，杂多酸、含碳水溶液，在室温下研磨20-30min
(2)研磨后，转移至容器中进行持续搅拌微波加热，具体加热反应步骤为微波加热1-3分钟，停止加热，搅拌5-15分钟后，再微波加热3-5分钟，停止加热，搅拌5-15分钟后，最后微波加热5-7分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌；
(3)反应结束后，洗涤、干燥，得到粉末；
(4)将上述干燥后得到的粉末分散在异丙醇中，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基材料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5微米。将制备的电极放入真空中50℃干燥1小时，制备出碳基染料敏化太阳能电池对电极。
2.根据权利要求1所述的碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)中具体加热步骤为，微波加热2分钟，停止加热，搅拌10分钟后，再微波加热4分钟，停止加热，搅拌10分钟后，最后微波加热6分钟，反应结束，微波加热中保持搅拌。
3.根据权利要求1所述的碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：硝酸银，杂多酸、含碳水溶液的固液比为1g：4g：10-20ml。
4.根据权利要求1所述的碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：微波加热时温度控制在100-120℃。
5.根据权利要求1所述的碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：杂多酸为Keggin型或者Dawson型。
6.根据权利要求1所述的碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：所述含碳水溶液含碳量为10mg-50mg/ml。
7.根据权利要求1所述的碳基染料敏化太阳能电池对电极的制备方法，其特征在于：所述含碳水溶液的制备方法为将石墨棒放入水中，在25V下连续电解60h，经过滤、洗涤，再分散获得的。
8.一种碳基染料敏化太阳能电池对电极，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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