專利名稱：一種染料敏化太陽能電池的光陽極的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于染料敏化太陽能電池的光陽極，屬于電極材料制備技術領域。
背景技術：
社會在高速發(fā)展的同時，人類正面臨著前所未有的能源危機和環(huán)境污染，對可再生能源的利用成為人類可持續(xù)發(fā)展的必由之路。太陽能電池作為無污染清潔能源設備，其發(fā)展受到世界各國政府的高度重視。目前廣泛應用的主要是硅基太陽能電池，但其價格十分昂貴。染料敏化太陽能電池具有成本低、穩(wěn)定性高、環(huán)境友好、可制備成柔性電池等優(yōu)點，是最有希望替代傳統(tǒng)硅基光伏電池的新型太陽能電池。傳統(tǒng)制備DSSC光陽極的方法是在納米TiO2顆粒中添加表面活性劑，然后通過絲網印刷、直接涂膜等方法在導電基底上沉積納米TiO2顆粒膜，經高溫熱處理得到DSSC光陽極。該方法制備的光陽極主要缺點是孔隙率相對較低，比表面積不夠高，且由于顆粒間接觸不理想導致電子擴散系數較小，從而阻礙DSSC電池光電轉換效率的提高。鑒于此，探索新方法制備大比表面積和均一孔徑分布的光陽極對提高DSSC的轉換效率具有較大意義。石墨烯是由碳原子在二維空間上緊密堆積成六邊形晶格結構的一種新型材料。石墨烯是構成零位富勒烯，一維碳納米管，三維體相石墨等sp2雜化碳的基本結構單元。石墨烯是一種沒有能隙的物質，顯示金屬性；單層的石墨烯，每個碳原子都有一個未成鍵的電子，因此具有非常好的導電性。由于石墨烯優(yōu)異的機械性能和物理性能，成為材料科學的研究熱點之一。石墨烯具有非常大的比表面積和良好的導電性能是良好的電極材料。近年來，不同種類的電極材料混合后制得的電極，得到了廣泛的研究。尤其是石墨烯和金屬氧化物按一定的比例混合后，制作的復合電極更是得到了廣泛的關注。在研究的過程中發(fā)現(xiàn)石墨烯容易發(fā)生團簇現(xiàn)象，混合不均勻，不能充分利用石墨烯的優(yōu)異的性能，導致該復合電極的性能沒有明顯的提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的提供一種具有良好的電化學性能的染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，該太陽能電池光陽極的生產成本低，制備方法簡單，價格便宜，質量輕，具有溶液可處理性，成型加工好等特點。本發(fā)明是通過下述技術方案來實現(xiàn)的一種染料敏化太陽能電池的光陽極，所述的光陽極由無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯均勻混合涂覆在基底材料表面，其中無機納米顆粒、二氧化猛納米材料以及石墨烯占總質量的質量百分比分別為40%-83%、15%-20%、2%-40%。一種染料敏化太陽能電池光陽極的制備方法，其特征在于以納米結構的、大比表面積的石墨烯為原料，和無機納米顆粒、二氧化錳納米材料混合，涂覆在基底材料表面，制備染料敏化太陽能電池光陽極，制備方法包括如下步驟、
第一步將具有水溶性的單層或多層石墨烯溶于水或者有機溶劑中，超聲波處理至其完全溶解；石墨烯溶液的濃度范圍在10. 5-28mg/ml之間；第二步將無機納米顆粒、二氧化錳納米材料和第一步得到的石墨烯溶液混合均勻并進行超聲分散，得到混合材料，其中無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯占總質量的質量百分比分別為40%-83%、15%-20%、2%-40% ；第三步將第二步得到混合材料制備到基底材料的表面上，常溫下放置48h以上，晾干后獲得單層或多層石墨烯的復合薄膜；所述基底材料為透明導電玻璃、金屬基底、碳材料基底或聚乙烯、聚苯乙烯和聚酯高分子基底；
第四步將第三步制備到基底材料表面獲得的單層或多層石墨烯的復合薄膜，經過還原劑進行還原，獲得基于單層或多層石墨烯的光陽極；或在氮氣或氬氣的保護下，于650-800°C焙燒后，獲得基于單層或多層石墨烯的光陽極。優(yōu)選的，所述具有水溶性的單層或多層石墨烯通過石墨化學氧化方法或者石墨有機功能化方法獲得。優(yōu)選的，所述無機納米顆粒為Ti02、ZnO、SnO2, Nb2O5, A1203、ln203、CuO, NiO、MgO,SiO2中的一種或一種以上的氧化物。優(yōu)選的，所述第三步中的制備到基底材料的表面上的方法包括浸泡、旋涂或噴涂。優(yōu)選的，所述還原劑為純肼溶液、肼蒸汽、水合肼蒸汽或硼氫化鈉。優(yōu)選的，所述有機溶劑是丙酮或N，N- 二甲基甲酰胺DMF。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是以是石墨為原料，通過化學方法制備水溶性的單層或多層石墨烯，然后通過有機功能化的方法，制備有機可溶的單層或多層石墨烯，通過涂覆的方法將混合有無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯溶液的混合物制備到基底材料的表面上成型，最后經化學還原或焙燒即可獲得基于單層或多層石墨烯的光陽極。該制備方法制備的光陽極具有很好的導電性，同時還具有很好的導熱性及力學性能，并且其生產成本很低，制備方法簡單，價格便宜，質量輕，具有溶液可處理性，成型加工好，不需要大型復雜的儀器，可以制備各種尺寸及形狀的樣品。此外，對于無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯的混合比例給出了最佳的范圍，在本發(fā)明提出的數值范圍能夠得到最佳性能的光陽極，特別是二氧化錳納米材料占總質量的百分比15%-20%起到了關鍵的作用，占總質量的百分比超過20%或者低于15%時，制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率明顯下降。


圖I為染料敏化太陽能電池的結構示意圖。圖2為采用本發(fā)明染料敏化太陽能電池光陽極的SEM照片。
具體實施例方式實施例I將通過石墨化學氧化方法獲得的多層石墨烯溶于水中，超聲波處理至其完全溶解，石墨烯溶液的濃度為10. 5mg/ml。將ZnO納米顆粒、MnO2納米材料和石墨烯溶液按照ZnO納米顆粒、MnO2納米材料以及石墨烯的質量百分比分別為40%、20%、40%混合均勻，并進行超聲分散。將得到的混合材料旋涂到聚酯高分子基底的表面上，常溫下放置48h，晾干后獲得多層石墨烯的復合薄膜。將旋涂到聚酯高分子基底表面獲得的多層石墨烯的復合薄膜，經過純肼溶液進行還原，獲得基于多層石墨烯的復合光陽極。采用上述復合光陽極，以N719為染料制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率達到7. 23%。實施例2將通過石墨有機功能化方法獲得的單層石墨烯溶于丙酮中，超聲波處理至其完全溶解，石墨烯溶液的濃度為28mg/ml。將Nb2O5納米顆粒、MnO2納米材料和石墨烯溶液按照Nb2O5納米顆粒、MnO2納米材料以及石墨烯的質量百分比分別為83%、15%,2%混合均勻，并進行超聲分散。將得到的混合材料噴涂到金屬基底的表面上，常溫下放置60h，晾干后獲得單層石墨烯的復合薄膜。將噴涂到金屬基底基底表面獲得的單層石墨烯的復合薄膜，在氮氣或氬氣的保護下，于650°C焙燒后，獲得基于單層石墨烯的復合光陽極。采用上述復合光陽 極，以N719為染料制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率達到7. 28%。實施例3將通過石墨有機功能化方法獲得的多層石墨烯溶于N，N-二甲基甲酰胺DMF中，超聲波處理至其完全溶解，石墨烯溶液的濃度為20mg/ml。將Al2O3納米顆粒、MnO2納米材料和石墨烯溶液按照Al2O3納米顆粒、MnO2納米材料以及石墨烯的質量百分比分別為70%、18%、12%混合均勻，并進行超聲分散。將得到的混合材料噴涂到透明導電玻璃基底的表面上，常溫下放置72h，晾干后獲得多層石墨烯的復合薄膜。將噴涂到透明導電玻璃基底的表面獲得的多層石墨烯的復合薄膜，在氮氣或氬氣的保護下，于800°C焙燒后，獲得基于多層石墨烯的復合光陽極。采用上述復合光陽極，以N719為染料制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率達到7. 45%。對比例I將通過石墨化學氧化方法獲得的多層石墨烯溶于水中，超聲波處理至其完全溶解，石墨烯溶液的濃度為10. 5mg/ml。將ZnO納米顆粒和石墨烯溶液按照ZnO納米顆粒以及石墨烯的質量百分比為I :1混合均勻，并進行超聲分散。將得到的混合材料旋涂到聚酯高分子基底的表面上，常溫下放置48h，晾干后獲得多層石墨烯的復合薄膜。將旋涂到聚酯高分子基底表面獲得的多層石墨烯的復合薄膜，經過純肼溶液進行還原，獲得基于多層石墨烯的復合光陽極。采用上述復合光陽極，以N719為染料制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率達到6. 18%。對比例2將通過石墨有機功能化方法獲得的單層石墨烯溶于丙酮中，超聲波處理至其完全溶解，石墨烯溶液的濃度為28mg/ml。將Nb2O5納米顆粒、MnO2納米材料和石墨烯溶液按照Nb2O5納米顆粒、MnO2納米材料以及石墨烯的質量百分比分別為83%、10%、7%混合均勻，并進行超聲分散。將得到的混合材料噴涂到金屬基底的表面上，常溫下放置60h，晾干后獲得單層石墨烯的復合薄膜。將噴涂到金屬基底表面獲得的單層石墨烯的復合薄膜，在氮氣或氬氣的保護下，于650°C焙燒后，獲得基于單層石墨烯的復合光陽極。采用上述復合光陽極，以N719為染料制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率達到5. 32%。對比例3將通過石墨有機功能化方法獲得的多層石墨烯溶于N，N-二甲基甲酰胺DMF中，超聲波處理至其完全溶解，石墨烯溶液的濃度為20mg/ml。將Al2O3納米顆粒、MnO2納米材料和石墨烯溶液按照Al2O3納米顆粒、MnO2納米材料以及石墨烯的質量百分比分別為70%、25%、5%混合均勻，并進行超聲分散。將得到的混合材料噴涂到透明導電玻璃基底的表面上，常溫下放置72h，晾干后獲得多層石墨烯的復合薄膜。將噴涂到透明導電玻璃基底的表面獲得的多層石墨烯的復合薄膜，在氮氣或氬氣的保護下，于800°C焙燒后，獲得基于多層石墨 烯的復合光陽極。采用上述復合光陽極，以N719為染料制備的染料敏化太陽能電池的光電轉換效率達到5. 81%。
權利要求
1.一種染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征在于所述的光陽極由無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯均勻混合涂覆在基底材料表面，其中無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯占總質量的質量百分比分別為40%-83%、15%-20%、2%-40%。
2.根據權利要求I所述的染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征在于所述無機納米顆粒為 Ti02、Zn0、Sn02、Nb205、Al203、ln203、CuO、NiO、MgO、SiO2 中的一種或一種以上的氧化物。
3.根據權利要求I所述的染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征在于所述基底材料為透明導電玻璃基底、金屬基底、碳材料基底、聚乙烯、聚苯乙烯或聚酯高分子基底。
全文摘要
一種染料敏化太陽能電池的光陽極，屬于電極材料制備技術領域。所述的光陽極由無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯均勻混合涂覆在基底材料表面，其中無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯占總質量的質量百分比分別為40%-83%、15%-20%、2%-40%。本發(fā)明的光陽極具有很好的導電性，同時還具有很好的導熱性及力學性能，并且對于無機納米顆粒、二氧化錳納米材料以及石墨烯的混合比例給出了最佳的范圍，在本發(fā)明提出的數值范圍之間能夠得到最佳性能的光陽極，從而在相同的實驗條件下，能夠得到較高光電轉換效率的染料敏化太陽能電池。
文檔編號H01G9/042GK102751098SQ20121021624
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權日2012年6月26日
發(fā)明者徐敘瑢, 徐征, 趙謖玲 申請人:北京交通大學