CN103871748A - 一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极及制备方法；采用二氧化钛、石墨烯为电极材料，以PEG200～PEG800的高粘度亲水性液体聚合物聚乙二醇作为分散剂，以聚乙二醇PEG20000作为电极的固化剂。采用本发明的方法，石墨烯经过超声分散后能稳定的分散在PEG400液体中，七天后依然分散的比较好，没有团聚；制备的复合光阳极，在浸泡染料后，可以看出形成的电极膜片比较致密，没有出现皲裂现象；本发明制作的复合光阳极的有代表性的单体DSSC工作曲线，说明得到的电池性能稳定，具有良好的光电转换效率。

Description

一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及制备方法
技术领域
本发明涉及可再生能源技术领域，更详细地，涉及一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制作方法。
背景技术
随着石油危机的不断加速，人们对能源需求的不断增加，太阳能作为一种取之不尽用之不竭的能源，备受人们关注。太阳能电池作为一种可以直接将太阳能转换为电池的一种装置，一直是科学界广泛研究的热门课题。从硅基太阳能电池到后来的高效Ⅲ-Ⅴ族化合物太阳电池和铜铟镓硒薄膜太阳能电池，直到1991年，瑞士洛桑高等工业学院（EPFL）
Figure BDA0000469551430000011
教授在该研究领域中取得了突破性进展，他们将高比表面积的纳米多孔TiO2电极代替传统的平板电极引入到染料敏化太阳能电池的研究中，并取得了7.1%的光电转换效率。目前，该课题组在弱光条件下已将电池效应突破到13.1%，在1个太阳光条件下已经超过12%，是一种极具发展前景的太阳能电池。
TiO2纳米粒子具有颗粒尺寸小，高比表面积等优点，一方面有利于电子传输，另一方面有利于染料吸附。然而，纳米粒子也存在着缺陷，结构无序，大量的捕集点，长的转移距离等因素，从而导致电极易出现电荷重组，电池转换效率下降。针对于TiO2纳米粒子的缺点，导电碳材（石墨烯或碳纳米管等）等被积极地引入光阳极中进行研究，提高电荷的传输过程。
然而，石墨烯等导电碳材不易被普通的溶剂（水，乙醇等）均匀分散，这导致其在应用过程中存在着极大的限制。针对导电碳材不易在普通溶剂中均匀分散的缺点，本发明采用聚乙二醇、聚乙烯吡咯烷酮等高粘度亲水性液体聚合物作为一种分散剂，同时作为浆料的分散剂，这样可以减少其他表面活性剂的引入，对电极的表面结构和活性产生的影响，并据此提出了一种染料敏化太阳能电池复合光阳极及其制作方法。
发明内容
本发明提供了一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极及制备方法，该复合结构光阳极是由导电碳材和多晶纳米颗粒材料复合而成。采用高粘度亲水性液体聚合物作为导电碳材（石墨烯或碳纳米管等）的一种分散剂，如液体聚乙二醇（PEG200～PEG800），聚乙烯吡咯烷酮等。
本发明的技术方案如下：
一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极，采用二氧化钛、石墨烯为电极材料，以PEG200～PEG800的高粘度亲水性液体聚合物聚乙二醇作为分散剂，以聚乙二醇PEG20000作为电极的固化剂。
本发明用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极的制备方法，包括如下步骤：
1）将石墨烯与亲水性液体聚合物PEG200～PEG800聚乙二醇中超声0.5h～24h，使得材料充分分散，形成石墨烯分散液的浓度为0.01mg/ml～10mg/ml。
2）采用分子量为20000的聚乙二醇PEG20000作为电极的固化剂，添加水作为PEG20000的溶剂，水在液体中的体积比v/v5%～50%，搅拌溶解；然后按电极所需石墨烯的量移取步骤1）中的导电碳材分散液；固相石墨烯含量为0.010%～0.040%，液相PEG20000含量为5%～20%，同时加入PEG200～PEG800作为浆料的分散剂，使PEG在液体中的总比例为50%～95%，将尺寸为10～200nm的TiO2纳米材料在上述混合液体中超声0.5h～6h，然后搅拌0.5h～24h形成粘稠性的浆料，使复合材料均匀地分散于浆料中；
3）将步骤2）得到的物质均匀的涂覆于导电基底上；
4）将刮涂好的极片搁置于空气中10h～72h去除水份，使得电极材料形成一种胶状膜；进行电极烧结，获得的复合光阳极薄膜；同时有利于电极膜在烧结过程中不易发生皲裂；
5）将复合光阳极薄膜浸泡于染料溶液中浸泡后形成电极膜。
所述的步骤3）中采用刮涂法、悬浮法、丝网印刷法或喷涂法涂覆。
所述的步骤4）电极烧结，采用空气气氛下烧结，或采用保护气氛下烧结。
所述的步骤5）不同类型的染料需要的溶剂/浓度/时间等都不相同，难以全部概括。用N719、N3染料时，将复合光阳极薄膜浸泡于10-5～10-3mol/L N719、N3染料的乙腈溶液或乙醇溶液浸泡4h～72h形成电极膜。
采用本发明的方法，石墨烯经过超声分散后能稳定的分散在PEG400液体中，七天后依然分散的比较好，没有团聚，如图1所示；采用本发明实施例2制备的复合光阳极，在浸泡染料后，其效果图如图2所示，可以看出形成的膜片比较致密，没有出现皲裂现象；附图3是采用本发明制作的复合光阳极的有代表性的单体DSSC工作曲线，说明得到的电池性能稳定，具有良好的光电转换效率。
附图说明
图1石墨烯在PEG400液体中分散的图片，图片分别为a)分散前、b)超声分散后、c)放置24h和d)放置7天的实验结果。
图2电极烧结后并浸泡染料的相机图。
图3采用本发明制作的复合光阳极的J-V性能图。电池性能稳定，具有良好的光电转换效率。
具体实施方式
实施例1：
1）采用PEG600作为石墨烯分散剂，形成0.01mg/ml的PEG600-石墨烯悬浮液，超声搅拌0.5h，形成浆料。
2）0.005g PEG20000（固体质量比5%）和去离子水（水在液体中的体积比v/v5%），搅拌溶解。然后加入PEG600作为浆料的分散剂，使PEG在液体中的总比例为95%。加入0.1g TiO2长度为100～200nm的纳米管和步骤1）石墨烯分散液，固相石墨烯含量0.011%，形成的混合液体超声0.5h，然后搅拌24h形成粘稠性的浆料。
3）使复合材料均匀地分散于浆料中并随后将形成浆料平铺于0.2826cm2的槽中，采用手术刀刮涂法进行刮涂。
4）极片搁置于空气中10h去除极片中的水份，最终形成一种胶状膜。随后采用马弗炉中500℃烧结1.5h烧结，形成一定厚度的薄膜。
5）将获得的薄膜浸泡于10-3mol/L N719染料的乙醇溶液浸泡4h形成染料敏化的电极复合光阳极。此工艺不影响材料的结构，不易造成材料结构的坍塌。
实施例2：
1）采用PEG400作为石墨烯分散剂，超声6h，形成1mg/ml的PEG400-石墨烯悬浮液。效果图见本发明附图1,图片分别为a)分散前、b)超声分散后、c)放置24h和d)放置7天的PEG400-石墨烯溶液。
2）0.01g PEG20000（固体质量比10%）和0.1ml去离子水（水在液体中的体积比v/v23%），搅拌溶解。然后分别加入PEG400作为浆料的分散剂，使PEG在液体中的总比例为75%，0.1g尺寸10nm的TiO2纳米粒子和步骤1）石墨烯分散液，使固相石墨烯含量0.025%，形成的混合液体超声2h，然后搅拌5h形成粘稠性的浆料。
3）将形成浆料平铺于0.2826cm2的槽中，搁置20min后采用手术刀刮涂法进行刮涂。
4）极片搁置于空气中24h去除极片中的水份，最终形成一种电极薄膜。在马弗炉中烧结400℃烧结1h。
5）将获得的薄膜浸泡于10-4mol/L N719染料的乙腈溶液浸泡24h形成染料敏化的电极复合光阳极电极。效果图见本发明附图2，形成的复合材料光阳极表面规整、厚度均匀、无明显裂纹。
6）测试按照上述步骤制备的复合光阳极J-V性能曲线。效果图见本发明附图3，采用复合材料光阳极所达到的光电转换效率为5.02%，比不加入石墨烯的光阳极提高了18.0%。
实施例3：
1）采用PEG200作为石墨烯分散剂，超声24h，形成10mg/ml的PEG200-石墨烯悬浮液。
2）0.005g PEG20000（固体质量比5%）和0.1ml去离子水（水在液体中的体积比v/v5%），搅拌溶解。然后分别加入PEG200作为浆料的分散剂，使PEG在液体中的总比例为50%，0.1g100～200nm的TiO2纳米管和步骤1）石墨烯分散液，使固相石墨烯含量0.039%，形成的混合液体超声0.5h，然后搅拌6h形成粘稠性的浆料。
3）使复合材料均匀地分散于浆料中并随后将形成浆料平铺于0.2826cm2的槽中，采用手术刀刮涂法进行刮涂。
4）极片搁置于空气中72h去除极片中的水份，最终形成一种胶状膜。随后采用马弗炉中450℃烧结1h烧结，采用TiCl4后处理后，再次烧结30min，形成一定厚度的薄膜。
5）将获得的薄膜浸泡于10-5mol/L N3染料的乙腈溶液浸泡72h形成染料敏化的电极复合光阳极。

Claims (4)

1.一种用于染料敏化太阳能电池的复合结构光阳极，其特征是复合结构光阳极采用二氧化钛、石墨烯或其他导电碳材为电极材料，以PEG200～PEG800的高粘度亲水性液体聚合物聚乙二醇作为分散剂，以聚乙二醇PEG20000作为电极的固化剂。
2.如权利要求1的复合结构光阳极的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
1）将石墨烯与亲水性液体聚合物PEG200～PEG800聚乙二醇中超声0.5h～24h，使得材料充分分散，形成石墨烯分散液的浓度为0.01mg/ml～10mg/ml。
2）采用分子量为20000的聚乙二醇PEG20000作为电极的固化剂，添加水作为PEG20000的溶剂，水在液体中的体积比v/v5%～50%，搅拌溶解。然后按电极所需石墨烯的量移取步骤1）中的石墨烯分散液。固相石墨烯含量为0.010%～0.040%，液相PEG20000含量为5%～20%，同时加入PEG200～PEG800作为浆料的分散剂，使PEG在液体中的总比例为50%～95%，将尺寸为10～200nm的TiO2纳米材料在上述混合液体中超声0.5h～6h，然后搅拌0.5h～24h形成粘稠性的浆料，使复合材料分散于浆料中。
3）将步骤2）得到浆料均匀的涂覆于导电基底上；
4）将刮涂好的极片搁置于空气中10h～72h去除水份，使得电极材料形成一种胶状膜；进行电极烧结，获得的复合光阳极薄膜；
5）将复合光阳极薄膜浸泡于染料溶液中浸泡后形成电极膜。
3.如权利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤3）中采用刮涂法、悬浮法、丝网印刷法或喷涂法涂覆。
4.如利要求2所述的方法，其特征是所述的步骤4）电极烧结，采用空气气氛下烧结，或采用保护气氛下烧结。
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