CN109192519A - 复合光电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合光电池的制备方法，本发明中，首次以电泳沉积法在FTO导电玻璃制备有序CuO‑rGO(氧化铜‑石墨烯)纳米膜，然后以此为载体，通过控制Cu2(OH)2CO3胶体的水解速率调控CuO纳米粒子在导电玻璃的自组装过程，实现对CuO薄膜中分等级多孔结构的有效控制并将其应用于太阳能光电池。同时使用上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃制备的太阳能光电池可保证光电池相同光电转换效率同时，降低铂对电极磨损。本发明复合光电池具有分等级多孔结构，可以增加光的路径，提高光的捕获效率和增强太阳能光电池的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于光电子领域，更具体涉及一种CuO-rGO复合光电池的制备方法。
背景技术
世界经济的快速发展，使得石油，煤炭等传统能源加剧消耗，世界面临严重的能源危机，寻求新的替代能源已经迫在眉睫。太阳能作为一种无污染、洁净的可再生能源日益受到了人们的关注寻找一种高效的太阳能光电池也成为了科学家研究的一个热点。目前，硅系太阳能光电池的应用是最为广泛的而且他的技术比较成熟。传统的制备太阳能光电池的方法一般是采用尺寸为10-20nm的纳米颗粒在导电玻璃基体上制备膜厚为10-12m的多孔膜。10-20nm远远小于可见光的波长，因此，所制备的几乎透明的薄膜的光散射特性很弱。
最近，科研工作人员对增强CuO薄膜光电极的光捕获效率进行了的大量研究。常用的方法有：含有不同CuO颗粒大小的多层薄膜，含有CuO纳米粒子与中空球的双层薄膜，CuO纳米线或纳米管的双层薄膜，石墨烯与CuO复合薄膜和各种不同形貌纳米结构的CuO薄膜(如纳米线、纳米管和纳米纤维等)。纳米CuO的微观结构(如粒径、气孔率等)对电池的性能也有非常明显的影响。若CuO的粒径太大，吸附的染料分子就会大大减少，从而减少光的利用率，而且电解质很容易直接与导电玻璃基体接触，导致电荷的复合形成暗电流；若粒径太小，光就会直接穿透过去，染料无法充分吸收光子，而且小粒子之间的界面太多，晶界势垒会大大阻碍电子的传递，同样是不利于光电转换的。因此，纳米CuO薄膜弱的光散射特性和暗电流影响这两个因素阻碍了光电池的光电效率进一步的提高。目前效率只能达到12％左右。众所周知，分等级多孔结构不仅可以对光进行多次反射和折射，而且可以吸附更多的染料。目前还没有关于用水解四氟化铜在导电玻璃表面自组装沉积生长制备分等级多孔CuO-rGO光阳极的报道。
发明内容
本发明的一个目的是解决上述问题，并提供后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种CuO-rGO(氧化铜-石墨烯)复合光电池的制备方法。本发明中，以电泳沉积法在FTO导电玻璃制备有序CuO-rGO纳米膜，然后以此为载体，通过控制Cu2(OH)2CO3的水解速率调控CuO纳米粒子在导电玻璃的自组装过程，实现对CuO薄膜中分等级多孔结构的有效控制并将其应用于太阳能光电池。导电玻璃上沉积的有序氧化铜纳米管薄膜不仅能防止电解质与导电玻璃的接触，而且为后续的多孔结构的CuO生长提供活性位点。同时，还运用了上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃，制备出具有相同沟槽结构的敏化CuO-rGO薄膜，其可保证光电池具有相同光电转换效率同时，降低铂对电极磨损，从而增强太阳能光电池的使用寿命。
本发明提供一种基于CuO-rGO复合材料的光电池的制备方法，其制备方法包括：
步骤一：电泳沉积法制备CuO-rGO纳米膜
A)用清水冲洗掺杂SnO2的导电玻璃(FTO玻璃，7Ω/m2)用以除去表层的可见颗粒；再分别浸渍在蒸馏水、丙酮、无水乙醇里以此分别超声清洗25-35分钟，自然干燥后放入干燥器中待用；
B)以重量份数计，将0.5-1.5重量份的粉末状CuO-rGO材料分散在由45-50重量份乙醇和130-150重量份蒸馏水的混合溶液中，超声分散约35-45分钟形成悬浮液，用氨水调节所述悬浮液形成电泳液；
C)将清洗干净的导电玻璃为阳极，银电极为阴极平行竖直插入电泳液中，两电极间的距离保持在3-5cm，在电压14.5-15.5V下通电10分钟，取出导电玻璃样品，用去离子水冲洗，自然干燥，得到CuO-rGO纳米膜；
步骤二：制备分等级多孔CuO-rGO薄膜
A)在搅拌的条件下将10-20重量份的Cu(NO3)2溶液逐滴滴入10-20重量份的Na2CO3溶液中，生成蓝绿色胶体，将所述胶体溶液取55-65重量份加入到容器中；
B)把所述CuO-rGO纳米膜面朝上放入所述容器底部密封后放入烘箱内并在55-65℃条件下保温12小时；
C)C)从所述塑料杯中取出导电玻璃进行洗涤干燥，在马弗炉中540-560℃条件下煅烧2小时，得到多孔结构CuO-rGO薄膜；
步骤三：CuO-rGO复合光电池的组装
A)将制备的分等级多孔CuO-rGO薄膜迅速浸泡于N719染料的乙醇溶液中，室温密封避光24小时以上使N719染料充分吸附到多孔氧化铜光阳极表面；其中，敏化程度通过比较膜表面和底面的颜色来确定，两者颜色一致时完成敏化；
B)敏化后的CuO-rGO薄膜用乙醇冲洗2次，在55-65℃条件下干燥2小时；
C)通过将铂对电极覆盖在敏化CuO-rGO薄膜上，两电极之间形成一个40-60μm的空腔，完成一个三明治型电池的组装。
较佳地，上述步骤一电泳沉积法制备CuO-rGO纳米膜中导电玻璃上表面有网格状沟槽结构，沟槽深度不超过0.5mm，相邻网格间距为2-4mm，CuO-rGO纳米膜沉积厚度不超过20μm。导电玻璃上表面沟槽深度大于0.5mm，相邻网格间距为小于2mm时，使用电泳法很难将CuO-rGO纳米膜沉积在沟槽内，这会使得最终制备的敏化CuO-rGO薄膜分布不均，可能造成光电池的短路；更佳地，沟槽深度不超过0.4mm，相邻网格间距为3-4mm。此外，CuO-rGO纳米膜沉积厚度不宜超过20μm，否则沟槽内纳米膜难以继续沉积多孔CuO从而制备多孔CuO-rGO薄膜，更佳地，CuO-rGO纳米膜沉积厚度不超过15μm。
本发明中，所使用的导电玻璃上表面有网格状沟槽，可使得沉积在其表面的CuO-rGO纳米膜具有相应沟槽结构，同时其后制备相应的敏化CuO-rGO薄膜也具有相应结构，这种沟槽结构可有助于电解液的流动，增强电解液与敏化CuO-rGO薄膜的接触面积，提高光电转换效率。同样，沟槽结构可以降低铂对电极与敏化CuO-rGO薄膜接触面积，从而在最大接触范围内降低光电池最大充放电的电容及电子迁移量，即在保证光电池相同光电转换效率同时，降低铂对电极磨损，从而增强太阳能光电池的使用寿命。
较佳地，上述步骤一电泳沉积法制备CuO-rGO纳米膜B)中用氨水调节上述悬浮液的pH到8.5-9.5形成均一稳定的电泳液；其中，由于铜纳米管的表面等电点据报道低于5.5，因此铜纳米管在pH为9.0左右的条件下表面带负电荷，在外加电场的作用下将向阳极移动。
较佳地，上述步骤二制备分等级多孔CuO-rGO薄膜A)中Cu(NO3)2溶液的浓度为0.02-0.1mol/L，Na2CO3溶液的浓度为0.02-0.1mol/L。
较佳地，N719染料的乙醇溶液为0.5mmol/L，由于上述溶液极易吸水受潮失效，因此在配制过程中，应严格控制，避免染料与水接触。称取一定量的N719染料溶解在无水乙醇中，为了避免染料溶解不充分，将溶液转移至棕色广口瓶，将瓶口密封后，室温下磁力搅拌12小时，充分溶解染料即得所需浓度染料溶液。N719溶液配制好后，必须密封避光保存。
较佳地，本发明中多孔结构CuO-rGO为球形簇状结构，直径为2-10μm。
较佳地，本发明中敏化后的CuO-rGO薄膜面积为8mm×8mm，稍微错开，用夹子将两电极夹紧。
较佳地，本发明中测试时将电解质注入到所组装电池的电极边缘，电解质在毛细管力的作用下很快渗入两电极之间并均匀铺展开。
较佳地，电解质溶液为含有1.0M的1-丙基-3-甲基咪唑碘盐(PMIMI，苏州中胜化学试剂有限公司)，0.1M碘化锂(LiI，美国Sigma-Aldrich公司)，0.12M碘(I2，美国Sigma-Aldrich公司)及0.5M 4-叔基吡啶(TBP，美国Sigma-Aldrich公司)的3-甲氧基丙腈(上海化学试剂有限公司)溶液。
上述太阳能光光电池的制备的详细过程见图1。
较佳地，本发明所述步骤一中CuO-rGO材料的制备方法包括：
步骤一：以重量份数计，在搅拌的条件下将10-20重量份的石墨烯溶液加入10-20重量份的Cu(NO3)2溶液中并充分混合，再将10-20重量份Na2CO3溶液逐滴滴入，得到蓝绿色胶状沉淀；
步骤二：继续搅拌10分钟后，将所述蓝绿色胶状沉淀移入水热釜中，置入烘箱170-190℃反应6小时；
步骤三：将反应产物自然冷却至室温后取出洗涤、过滤、烘干，得到CuO-rGO材料。
本发明中，这种分等级多孔CuO-rGO光阳极的合成过程共分为四步：
1)通过碱性水热法使用Cu2(OH)2CO3-rGO为原料制备CuO-rGO纳米管；
2)通过阳极氧化法将1)合成的CuO-rGO纳米管电沉积到FTO导电玻璃上；
3)通过Cu2(OH)2CO3胶体溶液的水解在CuO-rGO纳米管表面形成分等级多孔CuO，从而形成分等级CuO-rGO薄膜复合材料；
4)将上述所制备的分等级多孔CuO-rGO薄膜在550℃空气下煅烧2h。
Cu2(OH)2CO3的水解与CuO的形成可以按照下面的方程式表示：
2Cu(NO3)2+2Na2CO3+H2O＝4NaNO3+Cu2(OH)2CO3↓+CO2↑ (1)
Cu2(OH)2CO3＝2CuO+H2O+CO2↑ (2)
本发明中，当Cu2(OH)2CO3溶液加热到60℃时，反应(2)过程逐渐发生，起初溶液中没有成核现象。随着溶液过饱和度的增加，异相成核生长随机发生。同时，氧化铜纳米管表面的羟基为最初的异相成核生长提供了活性位点，从而形成CuO纳米粒子。随着Cu2(OH)2CO3进一步水解，溶液中形成大量的CuO纳米粒子，而且为了降低表面能它们团聚成大的颗粒。这些从溶液中形成的CuO纳米颗粒趋向于附着在沉积的CuO-rGO纳米粒子表面上，这些纳米粒子为后续的颗粒附着生长薄膜提供了活性位点。当反应12小时后，通过这种自组装机理越来越多的CuO纳米颗粒随机地沉积在之前形成的CuO-rGO骨架，最终形成这种分等级多孔CuO-rGO薄膜。
本发明中，在不牺牲比表面积的条件下，可以提供更多的光子捕获几率和吸附更多的染料分子从而提高整个电池的效率。是基于以下原因：首先，分等级多孔结构的CuO-rGO可以对光进行多次的反射和折射，这可以改变光在光电极中行进路径提高对光的利用率，因而增强了光阳极对光的捕获能力。其次，在不同的方向上散射的光不仅提高了光的范围，而且为染料分子也提供了更多吸收光子的机会。第三，与非多孔的CuO-rGO薄膜相比，多孔CuO-rGO薄膜的比表面积和孔隙率远大于它，因而多孔CuO-rGO薄膜提高了对染料分子的吸附能力。最后，与纳米粒子相比，由于颗粒之间的接触障碍数减少，这种分等级多孔结构提供了更快的电子和电解质溶液的转移路径。这些因素都有助于提高分等级多孔CuO-rGO染料敏化太阳能光电池的光电转换效率。
发明有益效果：
(一)本发明中，太阳能光电池是一种光电化学系统，它包含作为光阳极的吸附染料分子的多孔结构氧化物薄膜。光阳极的光子捕获效率对电池的光电转换效率影响是至关重要的。本发明光阳极结构具有多孔电极，其有助于光的多次反射和折射和高比表面积能吸附更多的染料。
(二)本发明中，分等级多孔结构的CuO-rGO可以对光进行多次的反射和折射，这可以改变光在光电极中行进路径提高对光的利用率，因而增强了光阳极对光的捕获能力。在不同的方向上散射的光不仅提高了光的范围，而且为染料分子也提供了更多吸收光子的机会。
(三)本发明中，分等级多孔结构的CuO-rGO与非多孔的CuO-rGO薄膜相比，多孔CuO-rGO薄膜的比表面积和孔隙率远大于它，因而多孔CuO-rGO薄膜提高了对染料分子的吸附能力；与CuO纳米粒子相比，由于颗粒之间的接触障碍数减少，这种加入GO(石墨烯)的分等级多孔结构提供更快的电子转移速率因为颗粒之间的接触障碍减少。
(四)本发明中，使用上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃制备光电池，其沟槽结构可以降低铂对电极与敏化CuO-rGO薄膜接触面积，从而在最大接触范围内降低光电池最大充放电的电容及电子迁移量，即在保证光电池相同光电转换效率同时，降低铂对电极磨损，从而增强太阳能光电池的使用寿命。
附图说明
图1为本发明太阳能光电池的制备流程示意图；
图2为本发明多孔CuO-rGO薄膜扫描电镜示意图；
图3为本发明实施例6-10及比较例1-2，上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
CuO-rGO材料的制备
步骤一：在搅拌的条件下将15mL的0.1wt％的GO溶液加入15mL 0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液中并充分混合，再将15mL 0.1mol/L的Na2CO3溶液逐滴滴入，生成蓝绿色胶状沉淀；步骤二：继续搅拌10分钟后，将产物移入水热釜中，置入烘箱180℃反应6小时；
步骤三：自然冷却至室温后取出洗涤、过滤、烘干，得到的最终产物为CuO-rGO材料。CuO-rGO复合材料光电池的制备
步骤一：电泳沉积法制备CuO-rGO纳米膜
A)用清水冲洗掺杂SnO2且表面光滑无沟槽的导电玻璃(FTO玻璃，7Ω/m2)用以除去表层的可见颗粒；再分别浸渍在蒸馏水、丙酮、无水乙醇里以此分别超声清洗30分钟，自然干燥后放入干燥器中待用；
B)将1.0g的粉末状CuO-rGO材料分散在由60mL乙醇和140mL蒸馏水的混合溶液中，超声分散约40分钟，用氨水调节上述悬浮液的pH到9.0左右形成均一稳定的电泳液；
C)将清洗干净的导电玻璃为阳极，银电极为阴极平行竖直插入电泳液中，两电极间的距离保持在4cm，在电压15V下通电10分钟，取出导电玻璃样品，用去离子水冲洗，自然干燥备用；
步骤二：制备分等级多孔CuO-rGO薄膜
A)在搅拌的条件下将15mL的0.02mol/L的Cu(NO3)2溶液逐滴滴入15mL的0.02mol/L的Na2CO3溶液中，生成蓝绿色胶体，将所述胶体溶液取60mL加入到100mL塑料杯中B)把上述制备好的CuO-rGO纳米膜面朝上放入该100mL塑料杯底部密封后放入烘箱内并在60℃条件下保温12小时；
C)反应完成后，从溶液中取出导电玻璃进行洗涤干燥，最后，在马弗炉中550℃条件下煅烧2小时即得到分等级多孔结构CuO-rGO薄膜；
步骤三：CuO-rGO复合光电池的组装
A)将制备的分等级多孔CuO-rGO薄膜迅速浸泡于N719染料的乙醇溶液中，N719染料即N719钌染料，是用于染料敏化太阳能电池的高性能钌基染料，室温密封避光24小时以上使N719染料充分吸附到多孔氧化铜光阳极表面；
B)敏化后的CuO-rGO薄膜用乙醇冲洗2次，于60℃干燥2小时；
C)通过将铂对电极覆盖在敏化CuO-rGO薄膜上，两电极之间形成一个约50μm的空腔，完成一个电池的组装。
实施例2-5
将实施例1的CuO-rGO复合材料光电池的制备的步骤二中A)的Cu(NO3)2溶液的浓度分别替换为0.04mol/L、0.06mol/L、0.08mol/L、0.1mol/L，及Na2CO3溶液的浓度分别替换为0.04mol/L、0.06mol/L、0.08mol/L、0.1mol/L，其余方法和数据与实施例1相同。
实施例6-10
将实施例1的电泳沉积法制备CuO-rGO纳米膜步骤一中A)的表面光滑无沟槽的导电玻璃替换为上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃1。同时实施例7-10将实施例1的CuO-rGO复合材料光电池的制备的步骤二中A)的Cu(NO3)2溶液的浓度分别替换为0.04mol/L、0.06mol/L、0.08mol/L、0.1mol/L，及Na2CO3溶液的浓度分别替换为0.04mol/L、0.06mol/L、0.08mol/L、0.1mol/L，其余方法和数据与实施例1相同。上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃1的网格间距为2mm，深度为0.5mm，具体形状见图3。
实施1-10中制备分等级多孔CuO-rGO薄膜Cu2(OH)2CO3胶体原料浓度如表1所示。
表1制备分等级多孔CuO-rGO薄膜Cu2(OH)2CO3胶体原料浓度及导电玻璃情况
| 编号 | Cu(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>溶液浓度 | Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>溶液浓度 | 导电玻璃 |
| 实施例1 | 0.02mol/L | 0.02mol/L | 无沟槽 |
| 实施例2 | 0.04mol/L | 0.04mol/L | 无沟槽 |
| 实施例3 | 0.06mol/L | 0.06mol/L | 无沟槽 |
| 实施例4 | 0.08mol/L | 0.08mol/L | 无沟槽 |
| 实施例5 | 0.1mol/L | 0.1mol/L | 无沟槽 |
| 实施例6 | 0.02mol/L | 0.02mol/L | 网格沟槽 |
| 实施例7 | 0.04mol/L | 0.04mol/L | 网格沟槽 |
| 实施例8 | 0.06mol/L | 0.06mol/L | 网格沟槽 |
| 实施例9 | 0.08mol/L | 0.08mol/L | 网格沟槽 |
| 实施例10 | 0.1mol/L | 0.1mol/L | 网格沟槽 |
比较例1
CuO-rGO材料光电池的制备
步骤一：制备CuO-rGO薄膜
A)用清水冲洗掺杂SnO2的上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃1(FTO玻璃，7Ω/m2)用以除去表层的可见颗粒；再分别浸渍在蒸馏水、丙酮、无水乙醇里以此分别超声清洗30分钟，自然干燥后放入干燥器中待用；
B)将商业购买的1.0gCuO-rGO材料溶解于无水乙醇中，使用刮刀直接涂抹在导电玻璃上，放入烘箱内并在60℃条件下保温12小时；
C)再将其放入马弗炉中550℃煅烧2小时即得到CuO-rGO薄膜；
步骤二：CuO-rGO复合光电池的组装
A)将制备的CuO-rGO薄膜迅速浸泡于N719染料的乙醇溶液中，室温密封避光24小时以上使N719染料充分吸附到多孔氧化铜光阳极表面；
B)敏化后的CuO-rGO薄膜用乙醇冲洗2次，于60℃干燥2小时；
C)通过将铂对电极覆盖在敏化CuO-rGO薄膜上，两电极之间形成一个约50μm的空腔，完成一个电池的组装。
比较例2
CuO材料的制备
步骤一：在搅拌的条件下将15mL 0.1mol/L的Cu(NO3)2溶液逐滴滴入15mL 0.1mol/L的Na2CO3溶液逐滴滴入，生成蓝绿色胶状沉淀；
步骤二：继续搅拌10分钟后，将产物移入水热釜中，置入烘箱180℃反应6小时；
步骤三：自然冷却至室温后取出洗涤、过滤、烘干后得到CuO材料；
CuO材料光电池的制备
步骤一：电泳沉积法制备CuO纳米管膜
A)用清水冲洗掺杂SnO2的上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃1(FTO玻璃，7Ω/m2)用以除去表层的可见颗粒；再分别浸渍在蒸馏水、丙酮、无水乙醇里以此分别超声清洗30分钟，自然干燥后放入干燥器中待用；
B)将1.0g的CuO粉末分散在由60mL乙醇和140mL蒸馏水的混合溶液中，超声分散约40分钟，用氨水调节上述悬浮液的pH到9.0形成均一稳定的电泳液；
C)将清洗干净的导电玻璃为阳极，银电极为阴极平行竖直插入电泳液中，两电极间的距离保持在4cm，在电压15V下通电10分钟，取出导电玻璃样品，用去离子水冲洗，自然干燥备用；
步骤二：制备CuO薄膜
A)在搅拌的条件下将15mL的0.02mol/L的Cu(NO3)2溶液逐滴滴入15mL的0.02mol/L的Na2CO3溶液中，生成蓝绿色胶体，将所述胶体溶液取60mL加入到100mL塑料杯中B)把上述制备好的CuO纳米管膜面朝上放入该100mL塑料杯底部密封后放入烘箱内并在60℃条件下保温12小时；
C)反应完成后，从溶液中取出导电玻璃进行洗涤干燥，最后，在马弗炉中550℃条件下煅烧2小时即得到CuO薄膜；
步骤三：CuO复合光电池的组装
A)将制备的分等级多孔CuO薄膜迅速浸泡于N719染料的乙醇溶液中，室温密封避光24小时以上使N719染料充分吸附到多孔氧化铜光阳极表面；
B)敏化后的CuO薄膜用乙醇冲洗2次，于60℃干燥2小时；
C)通过将铂对电极覆盖在敏化CuO薄膜上，两电极之间形成一个约50μm的空腔，完成一个电池的组装。
实验1：分等级多孔CuO-rGO薄膜的扫描电镜分析
样品的扫描电镜(SEM)在JEM-2100F扫描电镜(日本电子株式会社)上测试。
实施例1和实施例3方法制备的分等级多孔CuO-rGO薄膜扫描电镜图见图2，由图中可以看出，Cu2(OH)2CO3胶体浓度较大制备出CuO颗粒粒径较大，且材料结构为球形簇状结构，大小在2～10μm之间。
实验2：电流-光电压特性
太阳能光电池的光电流-光电压特性曲线(I-V曲线)在上海辰华仪器公司CHI660C电化学工作站上测试，以美国Newport公司的91160型太阳光模拟为光源(光强为100mW cm2)，电极的光照面积为0.4cm×0.4cm。
表2 J-V电池参数：短路电流(Jsc)、开路电压(Voc)、填充因子(FF)和光电转换效率(η)
| 编号 | J<sub>sc</sub>(mA/cm<sup>2</sup>) | V<sub>oc</sub>(V) | FF | η(％) |
| 实施例1 | 11.28 | 0.67 | 0.71 | 5.29 |
| 实施例2 | 14.76 | 0.67 | 0.70 | 6.21 |
| 实施例3 | 16.10 | 0.67 | 0.68 | 6.70 |
| 实施例4 | 13.75 | 0.64 | 0.72 | 5.83 |
| 实施例5 | 12.10 | 0.62 | 0.75 | 5.45 |
| 实施例6 | 11.32 | 0.67 | 0.72 | 5.32 |
| 实施例7 | 14.74 | 0.67 | 0.70 | 6.27 |
| 实施例8 | 16.12 | 0.67 | 0.69 | 6.74 |
| 实施例9 | 13.72 | 0.64 | 0.72 | 5.89 |
| 实施例10 | 12.09 | 0.63 | 0.74 | 5.48 |
| 比较例1 | 11.49 | 0.60 | 0.71 | 2.92 |
| 比较例2 | 0.38 | 0.39 | 0.81 | 0.12 |
其中，η为光电转换效率，Voc为开路电压，Isc为短路电流，Pin为入射单色光的功率，FF为填充因子。样品的测试重复3次，实验误差不超过5％。
通过实施例1-10可知，Cu2(OH)2CO3胶体制备浓度不同，其水解次数不同，同时其形貌尺寸大小不同，其中实施例3和实施例8的Cu2(OH)2CO3胶体浓度为0.06mol/L时，光电池效率最大，这意味着CuO-rGO在吸附染料的能力上有很大不同，从而显著影响太阳能光电池的光电转换性能。同时，在相同条件下，使用上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃1和表面光滑的导电玻璃相比，具有沟槽结构的光电池光电转换效率有所提升，这是由于其结构增强了电解液的流动性。
通过实施例6和比较例1-2可知，在相同膜厚度的条件下实施例1与比较例1-2相比光电转换效率(η)有飞跃的提高。原因有以下几点：首先，分等级多孔CuO-rGO光散射效果强，它扩展了光在光电极薄膜内的散射距离并给染料分子提供了更多吸收光子的机会，因而增强了光电极的捕获光子的能力。其次，与非多孔的CuO-rGO相比，适宜厚度和孔隙度的CuO-rGO薄膜可以吸附更多的染料分子和光捕获能力。最后，与CuO纳米粒子相比，这种加入GO(石墨烯)的分等级多孔结构提供更快的电子转移速率因为颗粒之间的接触障碍减少。这些因素都有利于提高多孔CuO-rGO太阳能光电池的光电转换性能。
实验3：光电池使用寿命
将太阳能光电池放入CHI660C电化学工作站上进行充放电，测试其使用寿命
通过实施例1-10可知，在制备条件相同的情况下，使用了上表面有网格状沟槽结构的导电玻璃1制备的太阳能光电池其寿命比无此结构的光电池寿命要多出2-3天，说明具有网络沟槽结构可以降低铂对电极与敏化CuO-rGO薄膜接触面积，从而在最大接触范围内降低光电池最大充放电的电容及电子迁移量，即在保证光电池相同光电转换效率同时，降低铂对电极磨损，从而增强太阳能光电池的使用寿命。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例和实施例。
Claims (8)
1.一种复合光电池的制备方法，其包括：
步骤一：电泳沉积法制备CuO-rGO纳米膜
A)用清水冲洗掺杂SnO2的导电玻璃用以除去表层的可见颗粒，再分别浸渍在蒸馏水、丙酮、无水乙醇里，分别超声清洗25-35分钟，自然干燥后放入干燥器中；
B)以重量份数计，将0.5-1.5重量份的粉末状CuO-rGO材料分散在由45-50重量份的乙醇和130-150重量份蒸馏水混合后的混合溶液中，超声分散35-45分钟形成悬浮液，用氨水调节所述悬浮液形成电泳液；
C)将所述导电玻璃为阳极，银电极为阴极平行竖直插入所述电泳液中，两电极间的距离保持为3-5cm，在电压14.5-15.5V下通电10分钟，取出导电玻璃样品，用去离子水冲洗，自然干燥，得到CuO-rGO纳米膜；
步骤二：制备多孔CuO-rGO薄膜
A)在搅拌的条件下将10-20重量份的Cu(NO3)2溶液逐滴滴入10-20重量份的Na2CO3溶液中，生成蓝绿色胶体，将所述胶体溶液取55-65重量份加入到容器中；
B)把所述CuO-rGO纳米膜面朝上放入所述容器底部密封后放入烘箱内并在55-65℃条件下保温12小时；
C)从所述塑料杯中取出导电玻璃进行洗涤干燥，在马弗炉中540-560℃条件下煅烧2小时，得到多孔结构CuO-rGO薄膜；
步骤三：CuO-rGO复合光电池的组装
A)将所述多孔CuO-rGO薄膜迅速浸泡于N719染料的乙醇溶液中，室温密封避光24小时，得到敏化后的CuO-rGO薄膜；
B)将所述敏化后的CuO-rGO薄膜用乙醇冲洗2次，在55-65℃条件下干燥2小时；
C)将铂对电极覆盖在所述敏化CuO-rGO薄膜上，得到CuO-rGO复合光电池。
2.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述步骤一中所述导电玻璃上表面有网格状沟槽结构，所述沟槽深度不超过0.5mm，相邻网格间距为2-4mm，所述CuO-rGO纳米膜沉积厚度不超过20μm。
3.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述步骤一B)中使用所述氨水调节所述悬浮液的pH为8.5-9.5。
4.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述步骤二A)中Cu(NO3)2溶液的浓度为0.02-0.1mol/L，Na2CO3溶液的浓度为0.02-0.1mol/L。
5.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述N719染料的乙醇溶液的浓度为0.5mmol/L。
6.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述多孔结构CuO-rGO为球形簇状结构，直径为2-10μm。
7.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述敏化后的CuO-rGO薄膜面积为8mm×8mm。
8.根据权利要求1所述的复合光电池的制备方法，其特征在于，所述步骤一中CuO-rGO材料的制备方法包括：
步骤一：以重量份数计，在搅拌的条件下将10-20重量份的石墨烯溶液加入10-20重量份的Cu(NO3)2溶液中并充分混合，再将10-20重量份Na2CO3溶液逐滴滴入，得到蓝绿色胶状沉淀；
步骤二：继续搅拌10分钟后，将所述蓝绿色胶状沉淀移入水热釜中，置入烘箱170-190℃反应6小时；
步骤三：将反应产物自然冷却至室温后取出洗涤、过滤、烘干，得到CuO-rGO材料。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| Y.N.SUDHAKAR等: "Green synthesis and electrochemical characterization of rGO–CuO nanocomposites for supercapacitor applications", 《ORIGINAL PAPER》 * |
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