CN103172062B - 一种染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的制备方法 - Google Patents
一种染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的制备方法，其具体步骤为：首先采用Hummers法制备得到氧化石墨水溶液；然后将N，N-二甲基甲酰胺（DMF）作为分散剂添加到氧化石墨水溶液中，并利用超声剥离法得到稳定的氧化石墨烯分散液；紧接着采用喷雾法直接在预热的导电基底上沉积氧化石墨烯薄膜；最后通过肼蒸汽化学还原法以及高温煅烧等工艺还原氧化石墨烯薄膜以得到对电极用石墨烯薄膜。本发明方法制备的染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜，不仅具有较高的导电性，能有效地传输电子，而且具有均匀性好、成本低和生产效率高的特点，能初步替代昂贵的金属铂对电极。
Description
技术领域
本发明涉及新材料石墨烯（Graphene）薄膜的制备技术，具体涉及一种染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的制备方法，属于纳米能源材料领域。
背景技术
石墨烯（Graphene）是由碳原子以sp 2杂化连接的单原子层构成的二维晶体材料，其中碳原子以六元环形周期型排列于石墨烯平面内。石墨烯中电子的运动如同相对论无质量粒子的运动，同时遵循线性扩散的规律，因此导致石墨烯具有许多新奇的电学特性。石墨烯的电学性能非常稳定，不随温度变化，受环境的影响也非常小，电子迁移率高达104 cm2/Vs。一直以来，染料敏化太阳能电池对电极是镀铂的导电基底，虽然铂对电极具有较好的导电能力，但是众所周知，铂金的使用成本极高。这使得近年来，来源极其丰富的石墨烯（Graphene）材料作为染料敏化太阳能电池对电极的研究开始受到重视。例如，2008年清华大学石高全等人[Electrochemistry Communications，10 (2008) 1555–1558]利用旋涂法制备石墨烯染料敏化太阳能电池对电极导电薄膜，取得了优异的光电转换效率；2011年湖北大学王世敏等人[Solid State Sciences，13 (2011) 468–475]利用抽滤法制备得到石墨烯染料敏化太阳能电池对电极导电薄膜，也取得了优异的光电转换效率。然而无论旋涂法还是抽滤法都不能大面积制备石墨烯薄膜对电极，随后出现的提拉成膜技术能够实现大面积的薄膜制备，但是用来提拉成膜的石墨烯溶液团聚严重，难以获得大面积、均匀的石墨烯薄膜。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的就是针对上述对电极用石墨烯薄膜研究现状的不足，提供一种可实现大面积、均匀的石墨烯薄膜对电极的制备方法。
技术方案：一种染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的制备方法，采用N，N-二甲基甲酰胺（DMF）作为分散剂有效分散氧化石墨烯水溶液，然后采用喷雾法直接在预热的导电基底上沉积氧化石墨烯薄膜，最后通过肼蒸汽化学还原法以及高温煅烧等工艺还原氧化石墨烯薄膜以得到对电极用石墨烯薄膜。
具体制备步骤为: (1)首先采用Hummers法制备得到氧化石墨，采用转速10000 rpm离心分离所得氧化石墨并用去离子水反复洗涤，得到浓度为1~10 mg/mL的氧化石墨水溶液；(2) 向氧化石墨水溶液中添加N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作为分散剂，并利用超声剥离法得到分散稳定的氧化石墨烯水溶液, 超声波振荡器的功率为800 Ｗ，超声波的频率为10 kHz；(3) 利用喷雾法将氧化石墨烯水溶液直接沉积在预热温度为150~300 ℃的导电基底上，得到氧化石墨烯薄膜；(4) 将氧化石墨烯薄膜置于25 ℃的烘箱中烘干，然后放入肼蒸汽中化学还原6~15 h，紧接着在氢气/氩气混合气体保护的高温炉中升温至400~500 ℃，保温1 h后降至室温，得到染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜。
所述步骤(2)中添加N，N-二甲基甲酰胺的量占氧化石墨烯水溶液体积的0.1~1.0%。
所述步骤(3)中喷枪口径为0.2~0.4 mm，喷枪口流速为2~5 mL/min，喷雾时间为5~60 s。
所述步骤(4)中高温还原保护气体氩气与氢气混合气体的体积百分比例为5~9，升温和降温速率均为0.5~5 ℃/min，所得染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的厚度在20~300 nm为宜。
有益效果：与现有石墨烯薄膜制备方法相比，本发明具有以下特点：本发明采用氧化石墨烯溶液而不是石墨烯溶液作为喷涂溶液，避免了团聚的发生；其次通过N，N-二甲基甲酰胺（DMF）对氧化石墨烯进行有效分散，进一步防止了团聚的发生，避免了在喷雾沉积过程中形成不均匀的纳米结构薄膜对电极。
附图说明
图1 是采用喷雾沉积法得到的对电极用石墨烯薄膜的SEM照片;
图2 显示的是对电极为石墨烯薄膜组装而成的染料敏化太阳能电池的电流密度-电压(I-V)的测试曲线。其中横坐标为电压，单位为伏特(V)，纵坐标为电流密度，单位为mA/cm2。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步的描述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
(1) 首先采用Hummers法制备得到氧化石墨，离心分离所得氧化石墨并用去离子水反复洗涤，得到浓度为1 mg/mL的氧化石墨水溶液；
(2) 向氧化石墨水溶液中添加体积百分含量为0.1%的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作为分散剂，并利用超声剥离法得到分散稳定的氧化石墨烯水溶液，超声波振荡器的功率为800 Ｗ，超声波的频率为10 kHz；
(3) 调节喷枪口径为0.2 mm，流速为2 mL/min，利用喷雾法将氧化石墨烯水溶液直接沉积在预热温度为150 ℃的ITO导电玻璃基底上，喷雾时间为5 s，得到氧化石墨烯薄膜；
(4) 将氧化石墨烯薄膜置于25 ℃的烘箱中烘干，然后放入肼蒸汽中化学还原6 h，紧接着在体积百分比为5的氢气/氩气混合气体保护的高温炉中缓慢升温至400 ℃，保温1 h后缓慢降至室温，得到厚度为20 nm的染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜。
实施例2：
(1) 首先采用Hummers法制备得到氧化石墨，离心分离所得氧化石墨并用去离子水反复洗涤，得到浓度为3 mg/mL的氧化石墨水溶液；
(2) 向氧化石墨水溶液中添加体积百分含量为0.5%的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作为分散剂，并利用超声剥离法得到分散稳定的氧化石墨烯水溶液，超声波振荡器的功率为800 Ｗ，超声波的频率为10 kHz；
(3) 调节喷枪口径为0.3 mm，流速为3 mL/min，利用喷雾法将氧化石墨烯水溶液直接沉积在预热温度为200 ℃的ITO导电玻璃基底上，喷雾时间为20 s，得到氧化石墨烯薄膜；
(4) 将氧化石墨烯薄膜置于25 ℃的烘箱中烘干，然后放入肼蒸汽中化学还原6 h，紧接着在体积百分比为6的氢气/氩气混合气体保护的高温炉中缓慢升温至450 ℃，保温1 h后缓慢降至室温，得到厚度为100 nm的染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜。
实施例3：
(1) 首先采用Hummers法制备得到氧化石墨，离心分离所得氧化石墨并用去离子水反复洗涤，得到浓度为5 mg/mL的氧化石墨水溶液，超声波振荡器的功率为800 Ｗ，超声波的频率为10 kHz；
(2) 向氧化石墨水溶液中添加体积百分含量为0.5%的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作为分散剂，并利用超声剥离法得到分散稳定且层数较少的氧化石墨烯水溶液；
(3) 调节喷枪口径为0.4 mm，流速为3 mL/min，利用喷雾法将氧化石墨烯水溶液直接沉积在预热温度为300 ℃的ITO导电玻璃基底上，喷雾时间为30 s，得到氧化石墨烯薄膜；
(4) 将氧化石墨烯薄膜置于25 ℃的烘箱中烘干，然后放入肼蒸汽中化学还原12 h，紧接着在体积百分比为9的氢气/氩气混合气体保护的高温炉中缓慢升温至500 ℃，保温1 h后缓慢降至室温，得到厚度为150 nm的染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜。图1显示的为实施例3制得的石墨烯薄膜对电极的扫描电子显微镜(SEM)照片。
实施例4：
(1) 首先采用Hummers法制备得到氧化石墨，离心分离所得氧化石墨并用去离子水反复洗涤，得到浓度为10 mg/mL的氧化石墨水溶液，超声波振荡器的功率为800 Ｗ，超声波的频率为10 kHz；
(2) 向氧化石墨水溶液中添加体积百分含量为1.0%的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作为分散剂，并利用超声剥离法得到分散稳定且层数较少的氧化石墨烯水溶液；
(3) 调节喷枪口径为0.4 mm，流速为5 mL/min，利用喷雾法将氧化石墨烯水溶液直接沉积在预热温度为300 ℃的ITO导电玻璃基底上，喷雾时间为60 s，得到氧化石墨烯薄膜；
(4) 将氧化石墨烯薄膜置于25 ℃的烘箱中烘干，然后放入肼蒸汽中化学还原15 h，紧接着在体积百分比为9的氢气/氩气混合气体保护的高温炉中缓慢升温至500 ℃，保温1 h后缓慢降至室温，得到厚度为300 nm的染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜。
实施例5：
本发明的喷雾沉积石墨烯对电极组装成染料敏化太阳能电池并进行光电转换效率测试的实验：将TiO2薄膜光阳极浸入到0.3 mmol/L的N719染料中敏化，在60 ℃下保温1 h；敏化后用厚度为60 μm的Surlyn热封膜将TiO2薄膜光阳极与实施例3制备得到的石墨烯薄膜/ITO导电玻璃封装成三明治夹心结构，夹心层灌注含碘离子的DHS-E23型电解液；采用美国Oriel 94022A太阳能模拟器，在100 mW/cm2的光照强度下测试电池的光电转换效率。图2显示的是染料敏化太阳能电池的电流-电压(I-V)的测试曲线。结果显示，本实施例制备的石墨烯薄膜对电极可以替代金属铂对电极，电池能够正常运行并产生光电流和光电压。本发明其他实施例中制备得到的石墨烯薄膜均可以作为对电极使用，封装成染料敏化太阳能电池后，都可以产生有效的光电流和光电压。
Claims (1)
1.一种染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜的制备方法，其特征在于：(1) 首先采用Hummers法制备得到氧化石墨，离心分离所得氧化石墨并用去离子水反复洗涤，得到浓度为5 mg/mL的氧化石墨水溶液；(2) 向氧化石墨水溶液中添加体积百分含量为0.5%的N，N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液作为分散剂，并利用超声剥离法得到分散稳定且层数较少的氧化石墨烯水溶液，超声波振荡器的功率为800W，超声波的频率为10 kHz；(3) 调节喷枪口径为0.4 mm，流速为3 mL/min，利用喷雾法将氧化石墨烯水溶液直接沉积在预热温度为300 ℃的ITO导电玻璃基底上，喷雾时间为30 s，得到氧化石墨烯薄膜；(4) 将氧化石墨烯薄膜置于25 ℃的烘箱中烘干，然后放入肼蒸汽中化学还原12 h，紧接着在体积百分比为9的氢气/氩气混合气体保护的高温炉中缓慢升温至500 ℃，保温1 h后缓慢降至室温，得到厚度为150 nm的染料敏化太阳能电池对电极用石墨烯薄膜。
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