CN112768249B - 一种绿色环保的石墨烯太阳能电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种绿色环保的石墨烯太阳能电池及其制备方法，所述电池包括光阳极组、电解质溶液、对电极和外壳体；其特征在于，光阳极组包括光阳极基板、石墨烯复合薄膜和染料敏化剂，石墨烯复合薄膜涂覆于光阳极基板的表面，染料敏化剂附着于石墨烯复合薄膜的表面；对电极组包括对电极基板和涂覆于对电极基板的氨基化石墨烯涂层；电解质溶液置于染料敏化剂和氨基化石墨烯涂层之间并通过外壳体密封；所述染料敏化剂是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比1.5‑3:1混合而成；本发明制备的石墨烯太阳能电池，有效提升了光电转换效率，达到12.17％，提高了电池性能，而且制备过程简单，有效降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种绿色环保的石墨烯太阳能电池及其制备方法。
背景技术
随着传统燃煤发电对环境的污染以及核电的安全问题等原因，近年来太阳能光伏行业作为一种新型绿色环保能源具有非常重大的意义，随着相关技术的进步，太阳能电池的应用范围也越来越广泛。其中，染料敏化太阳能电池由于具有廉价、高效、寿命长的优点，为低成本太阳能电池的研制开辟了新途径，成为太阳能电池领域的研究热点。
染料敏化太阳能电池由光阳极、电解质和对电极组成，其中光阳极是由形成于电极层上的半导体纳米晶膜与其表面吸附的光敏染料组成，染料分子收到光照后激发，电子注入半导体薄膜的导带，电子经外电路回到对电极，I3 -1离子在对电极上得到电子生成I-离子，I-离子扩散到半导体薄膜上再还原氧化态染料，使染料再生，I-离子反应后再生成I3 -1离子，如此循环，从而实现光电转换。目前染料敏化太阳能电池的光电能量转换效率已突破11.0％，但是要大规模商业化应用，该转换效率还需进一步提高。
石墨烯的问世受到越来越多的关注，很多独特的性能正在被逐步发现并应用到很多领域。其高透光性和优异的导电性能，使石墨烯成为太阳能电池的材料提供了很好的基础。
发明内容
针对传统染料敏化太阳能电池存在的光电转化效率偏低、性能差的问题，本申请提供了一种绿色环保的石墨烯太阳能电池及其制备方法，有效提升了光电转化效率，提高了电池性能。
第一方面，本发明提供一种绿色环保的石墨烯太阳能电池，包括光阳极组、电解质溶液、对电极组和外壳体；
光阳极组包括光阳极基板、石墨烯复合薄膜和染料敏化剂，石墨烯复合薄膜涂覆于光阳极基板的表面，染料敏化剂附着于石墨烯复合薄膜的表面；
对电极组包括对电极基板和涂覆于对电极基板的氨基化石墨烯涂层；
电解质溶液置于染料敏化剂和氨基化石墨烯涂层之间并通过外壳体密封；
所述染料敏化剂是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比1.5-3:1混合而成。
其中，
电解质溶液为乙腈电解液。乙腈电解液无色透明，可保持透明度。
外壳体的材质为白玻璃。透明度好。
本发明的目的之二在于提供一种绿色环保的石墨烯太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯分散在N-甲基吡咯烷酮和乙醇的混合溶液中得石墨烯分散液，N-甲基吡咯烷酮和乙醇的体积比为1:1.5-2；
(2)将步骤(1)所得石墨烯分散液加入纳米陶瓷复合浆料中超声分散15-30min，然后涂覆于光阳极基板表面，于35-45℃下静置25-30min经焙烧后在光阳极基板表面形成石墨烯复合薄膜；
(3)将步骤(2)所得涂覆有石墨烯复合薄膜的光阳极基板置于染料敏化剂中得到光阳极组，染料敏化剂的pH＝1-3；
(4)将氨基化石墨烯超声分散得10mg/mL分散液旋涂于对电极基板，旋涂速度为600-800r/min，旋涂时间为1-2min；然后真空干燥得对电极极组；
(5)将光阳极组和对电极组密封装配，将电解质溶液注入封装后的光阳极组和对电极组之间，得石墨烯太阳能电池。
优选的，步骤(1)中石墨烯分散液的浓度为5mg/mL。由于石墨烯是具有单原子层二维结构的特征，易形成紧密堆积的结构，导致石墨烯与电解质的接触面积有限，将石墨烯分散液的浓度限定为5mg/mL，可以更好地与纳米陶瓷复合浆料混合，更好地发挥催化作用。
优选的，步骤(2)中纳米陶瓷复合浆料为纳米二氧化钛、纳米陶瓷、纳米氯化钙按重量比为1.2:3:0.45混合而成。所述纳米陶瓷复合浆料可以使石墨烯复合薄膜更加稳定地附着于光阳极基板上，不易脱落，提高了太阳能电池的性能稳定性。
优选的，步骤(2)中焙烧温度为180-200℃，焙烧时间为2-3h。
优选的，步骤(4)所述氨基化石墨烯的制备包括以下步骤：
①将氧化石墨烯加入水中超声分散，得1mg/mL的氧化石墨烯分散液；
②取黑枸杞研磨成粉，放入乙醇中超声分散，然后离心分离取离心液；
③将步骤(1)所得氧化石墨烯分散液与步骤(2)所得离心液混合，加入氨水，于120-135℃下反应1-2h，得到黑色悬浊液；
④将黑色悬浊液于1200-2000r/min下离心30min，倒去离心液后加入乙醇于800-1200r/min二次离心，离心后所得沉淀用30％乙醇重新，真空干燥。
优选的，氧化石墨烯和黑枸杞的质量比为4-5:1。黑枸杞中的枸杞多糖在弱碱性条件下可以还原氧化石墨烯以制备石墨烯，而氨水一方面提供氨基，另一方面为枸杞多糖的还原作用提供弱碱性条件。
优选的，步骤④中真空干燥温度为45-75℃，真空干燥时间为2-4h。
本发明的有益效果在于，
(1)染料敏化剂在电池中起着光吸收的作用，本发明染料敏化剂是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比1.5-3:1混合而成，有效提高了光电转化效率，提升了光电化学性能，尤其在染料敏化剂pH＝1-3时性能最佳；采用氨基化石墨烯涂层，对氧化石墨烯进行氨基化修饰，引入含氮的官能团，改善氧化石墨烯的给电子能力和润湿性，同时制备方法反应条件温和；
(2)本发明制备的石墨烯太阳能电池，有效提升了光电转换效率，达到12.17％，提高了电池性能，而且制备过程简单，有效降低了成本，绿色环保。
附图说明
图1是本发明石墨烯太阳能电池的结构示意图；
图中，1、光阳极组；11、光阳极基板；12、石墨烯复合薄膜；13、染料敏化剂；2、电解质溶液；3、对电极组；31、氨基化石墨烯涂层；32、对电极基板；4、外壳体。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下述光阳极基板和对电极基板例如是可购自日本Nippon Sheet Glass公司的FTO(掺氟(F)的氧化锡)导电玻璃。
氧化石墨烯采用Hummers法或改进的Hummers法制备所得。
黑枸杞染料和高原金莲花染料的提取采用常规方式即可，例如黑枸杞染料可以通过以下方式制备：烘干的黑枸杞在玛瑙研钵中研磨成粉，放入无水乙醇溶液中，在25℃下遮光放置24h后超声20min反复超声提取两次。提取液经离心分离后，取其上清液用乙酸乙酯和石油醚进行少量多次萃取并用蒸馏水和石油醚进行反萃取，萃取液真空浓缩。得到的浓缩液在薄层板上薄层分析，多次试验后，以石油醚：乙醚(体积比5：2)为展开剂效果最佳。用石油醚：乙醚(体积比5：2)作为洗脱剂，聚酰胺干法装柱，对浓缩液进行柱色谱分离，得到黑枸杞染料。
实施例1
一种绿色环保的石墨烯太阳能电池，包括光阳极组1、电解质溶液2、对电极组3和外壳体4；
光阳极组1包括光阳极基板11、石墨烯复合薄膜12和染料敏化剂13，石墨烯复合薄膜12涂覆于光阳极基板11的表面，染料敏化剂13附着于石墨烯复合薄膜12的表面；所述染料敏化剂是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比1.5:1混合而成；
对电极组3包括对电极基板32和涂覆于对电极基板32的氨基化石墨烯涂层31；
电解质溶液为乙腈电解液，乙腈电解液无色透明，可保持透明度，将电解质溶液置于染料敏化剂和氨基化石墨烯涂层之间并通过白玻璃外壳体密封。
所述绿色环保的石墨烯太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯分散在N-甲基吡咯烷酮和乙醇的混合溶液中得浓度为5mg/mL石墨烯分散液，其中N-甲基吡咯烷酮和乙醇的体积比为1:1.5；
(2)将步骤(1)所得石墨烯分散液加入纳米陶瓷复合浆料中超声分散15min，纳米陶瓷复合浆料为纳米二氧化钛、纳米陶瓷、纳米氯化钙按重量比为1.2:3:0.45混合而成，然后涂覆于光阳极基板表面，于35℃下静置30min于200℃焙烧2h后在光阳极基板表面形成石墨烯复合薄膜；
(3)将步骤(2)所得涂覆有石墨烯复合薄膜的光阳极基板置于染料敏化剂中得到光阳极组，染料敏化剂的pH＝1；
(4)将氨基化石墨烯超声分散得10mg/mL分散液旋涂于对电极基板，旋涂速度为600r/min，旋涂时间为2min；然后真空干燥得对电极极组；
所述氨基化石墨烯的制备包括以下步骤：
①将氧化石墨烯加入水中超声分散，得1mg/mL的氧化石墨烯分散液；
②取黑枸杞(黑枸杞用量与氧化石墨烯用量比为1:4)研磨成粉，放入乙醇中超声分散，然后离心分离取离心液；
③将步骤(1)所得氧化石墨烯分散液与步骤(2)所得离心液混合，加入氨水，于120℃下反应1h，得到黑色悬浊液；
④将黑色悬浊液于1200r/min下离心30min，倒去离心液后加入乙醇于1200r/min二次离心，离心后所得沉淀用30％乙醇重新，于温度为45℃真空干燥4h得氨基化石墨烯；
(5)将光阳极组和对电极组密封装配，将电解质溶液注入封装后的光阳极组和对电极组之间，得石墨烯太阳能电池。
实施例2
一种绿色环保的石墨烯太阳能电池，包括光阳极组1、电解质溶液2、对电极组3和外壳体4；
光阳极组1包括光阳极基板11、石墨烯复合薄膜12和染料敏化剂13，石墨烯复合薄膜12涂覆于光阳极基板11的表面，染料敏化剂13附着于石墨烯复合薄膜12的表面；所述染料敏化剂是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比2:1混合而成；
对电极组3包括对电极基板32和涂覆于对电极基板32的氨基化石墨烯涂层31；
电解质溶液为乙腈电解液，乙腈电解液无色透明，可保持透明度，将电解质溶液置于染料敏化剂和氨基化石墨烯涂层之间并通过白玻璃外壳体密封。
所述绿色环保的石墨烯太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯分散在N-甲基吡咯烷酮和乙醇的混合溶液中得浓度为5mg/mL石墨烯分散液，其中N-甲基吡咯烷酮和乙醇的体积比为1:1.7；
(2)将步骤(1)所得石墨烯分散液加入纳米陶瓷复合浆料中超声分散25min，纳米陶瓷复合浆料为纳米二氧化钛、纳米陶瓷、纳米氯化钙按重量比为1.2:3:0.45混合而成，然后涂覆于光阳极基板表面，于40℃下静置28min于为195℃焙烧2h后在光阳极基板表面形成石墨烯复合薄膜；
(3)将步骤(2)所得涂覆有石墨烯复合薄膜的光阳极基板置于染料敏化剂中得到光阳极组，染料敏化剂的pH＝2；
(4)将氨基化石墨烯超声分散得10mg/mL分散液旋涂于对电极基板，旋涂速度为750r/min，旋涂时间为1min；然后真空干燥得对电极极组；
所述氨基化石墨烯的制备包括以下步骤：
①将氧化石墨烯加入水中超声分散，得1mg/mL的氧化石墨烯分散液；
②取黑枸杞研磨成粉，放入乙醇中超声分散，然后离心分离取离心液；
③将步骤(1)所得氧化石墨烯分散液与步骤(2)所得离心液混合，加入氨水，于135℃下反应1h，得到黑色悬浊液；
④将黑色悬浊液于1500r/min下离心30min，倒去离心液后加入乙醇于1500r/min二次离心，离心后所得沉淀用30％乙醇重新，于温度为60℃真空干燥2.2h得氨基化石墨烯；
(5)将光阳极组和对电极组密封装配，将电解质溶液注入封装后的光阳极组和对电极组之间，得石墨烯太阳能电池。
实施例3
一种绿色环保的石墨烯太阳能电池，包括光阳极组1、电解质溶液2、对电极组3和外壳体4；
光阳极组1包括光阳极基板11、石墨烯复合薄膜12和染料敏化剂13，石墨烯复合薄膜12涂覆于光阳极基板11的表面，染料敏化剂13附着于石墨烯复合薄膜12的表面；所述染料敏化剂13是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比3:1混合而成；
对电极组3包括对电极基板32和涂覆于对电极基板32的氨基化石墨烯涂层31；
电解质溶液为乙腈电解液，乙腈电解液无色透明，可保持透明度，将电解质溶液置于染料敏化剂和氨基化石墨烯涂层之间并通过白玻璃外壳体4密封。
所述绿色环保的石墨烯太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
(1)将石墨烯分散在N-甲基吡咯烷酮和乙醇的混合溶液中得浓度为5mg/mL石墨烯分散液，其中N-甲基吡咯烷酮和乙醇的体积比为1:2；
(2)将步骤(1)所得石墨烯分散液加入纳米陶瓷复合浆料中超声分散20min，纳米陶瓷复合浆料为纳米二氧化钛、纳米陶瓷、纳米氯化钙按重量比为1.2:3:0.45混合而成，然后涂覆于光阳极基板表面，于40℃下静置30min于为200℃焙烧2h后在光阳极基板表面形成石墨烯复合薄膜；
(3)将步骤(2)所得涂覆有石墨烯复合薄膜的光阳极基板置于染料敏化剂中得到光阳极组，染料敏化剂的pH＝3；
(4)将氨基化石墨烯超声分散得10mg/mL分散液旋涂于对电极基板，旋涂速度为800r/min，旋涂时间为1.5min；然后真空干燥得对电极极组；
所述氨基化石墨烯的制备包括以下步骤：
①将氧化石墨烯加入水中超声分散，得1mg/mL的氧化石墨烯分散液；
②取黑枸杞研磨成粉，放入乙醇中超声分散，然后离心分离取离心液；
③将步骤(1)所得氧化石墨烯分散液与步骤(2)所得离心液混合，加入氨水，于135℃下反应1.5h，得到黑色悬浊液；
④将黑色悬浊液于1300r/min下离心30min，倒去离心液后加入乙醇于1300r/min二次离心，离心后所得沉淀用30％乙醇重新，于温度为60℃真空干燥3h得氨基化石墨烯；
(5)将光阳极组和对电极组密封装配，将电解质溶液注入封装后的光阳极组和对电极组之间，得石墨烯太阳能电池。
对比例1
与实施例3不同之处在于，所述染料敏化剂是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比1:3混合而成，染料敏化剂的pH＝5。
对比例2
与实施例3不同之处在于，所述染料敏化剂为N719。
对比例3
与实施例3不同之处在于，所述对电极采用铂电极。
测试例1
对实施例1-3及对比例1-2制备的太阳能电池进行性能测试，其测试结果如表1所示。
表1 不同太阳能电池性能测试结果
| 转换效率(％) | 填充因子 | Voc(V) | Jsc(mA/cm<sup>2</sup>) | |
| 实施例1 | 11.87 | 0.76 | 0.74 | 19.98 |
| 实施例2 | 12.03 | 0.76 | 0.73 | 20.23 |
| 实施例3 | 12.17 | 0.78 | 0.75 | 20.76 |
| 对比例1 | 10.32 | 0.74 | 0.65 | 15.84 |
| 对比例2 | 11.14 | 0.74 | 0.67 | 19.37 |
| 对比例3 | 12.16 | 0.77 | 0.70 | 19.85 |
由表1可知，通过本发明制备的太阳能电池电池光电转化效率达到了12.137％，电池的性能较佳，同时降低了生产成本。
尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求所述的保护范围为准。
Claims (1)
1.一种绿色环保的石墨烯太阳能电池，包括光阳极组（1）、电解质溶液（2）、对电极组（3）和外壳体（4）；
光阳极组（1）包括光阳极基板（11）、石墨烯复合薄膜（12）和染料敏化剂（13），石墨烯复合薄膜（12）涂覆于光阳极基板（11）的表面，染料敏化剂（13）附着于石墨烯复合薄膜（12）的表面；所述染料敏化剂（13）是黑枸杞染料和高原金莲花染料按质量比3:1混合而成；
对电极组（3）包括对电极基板（32）和涂覆于对电极基板（32）的氨基化石墨烯涂层（31）；
电解质溶液为乙腈电解液，将电解质溶液置于染料敏化剂和氨基化石墨烯涂层之间并通过白玻璃外壳体（4）密封；
所述绿色环保的石墨烯太阳能电池的制备方法，包括如下步骤：
（1）将石墨烯分散在N-甲基吡咯烷酮和乙醇的混合溶液中得浓度为5mg/mL石墨烯分散液，其中N-甲基吡咯烷酮和乙醇的体积比为1:2；
（2）将步骤（1）所得石墨烯分散液加入纳米陶瓷复合浆料中超声分散20min，纳米陶瓷复合浆料为纳米二氧化钛、纳米陶瓷、纳米氯化钙按重量比为1.2:3:0.45混合而成，然后涂覆于光阳极基板表面，于40℃下静置30min，经200℃焙烧2h后在光阳极基板表面形成石墨烯复合薄膜；
（3）将步骤（2）所得涂覆有石墨烯复合薄膜的光阳极基板置于染料敏化剂中得到光阳极组，染料敏化剂的pH值为3；
（4）将氨基化石墨烯超声分散得10mg/mL分散液旋涂于对电极基板，旋涂速度为800r/min，旋涂时间为1.5min；然后真空干燥得对电极极组；
所述氨基化石墨烯的制备包括以下步骤：
①将氧化石墨烯加入水中超声分散，得1mg/mL的氧化石墨烯分散液；
②取黑枸杞研磨成粉，放入乙醇中超声分散，然后离心分离取离心液；
③将步骤（1）所得氧化石墨烯分散液与步骤（2）所得离心液混合，加入氨水，于135℃下反应1.5h，得到黑色悬浊液；
④将黑色悬浊液于1300r/min下离心30min，倒去离心液后加入乙醇于1300r/min二次离心，离心后所得沉淀用30%乙醇冲洗，于温度为60℃真空干燥3h得氨基化石墨烯；
（5）将光阳极组和对电极组密封装配，将电解质溶液注入封装后的光阳极组和对电极组之间，得石墨烯太阳能电池。
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