CN106252080A - 一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法 - Google Patents

一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及敏化太阳能电池领域，具体是一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法。一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，将碳纳米材料加入到甲醇、N,N‑二甲基甲酰胺DMF、N‑甲基吡咯烷酮NMP、四氢呋喃THF等溶剂中的任意一种或几种混合溶剂中使混合均匀，碳纳米材料的质量百分比浓度为20%‑90%，然后加入聚乙二醇400，再次混合均匀后获得涂料；将制备的涂料涂在FTO导电基板上，厚度为10μm ‑40μm，升温到300℃保温，然后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极。本发明提供的功能化碳纳米材料的方法，获得的功能化的碳纳米材料分散性好。

Description

一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法
技术领域
本发明涉及敏化太阳能电池领域，具体是一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法。
背景技术
自从1991年Michael Gratzel等人发明染料敏化太阳能电池以来，染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized solar cells）因其较低的成本，环境友好性，简单的结构及生产工艺，优良的光电转换效率等特点受到了广泛关注与研究。染料敏化太阳能电池的结构主要包括光阳极，染料，电解质，对电极等部分。其中对电极作为核心部分，其主要作用是收集从光阳极经外电路传输过来的电子，并将电子传递给电解质使其还原再生，除此以外，对电极还起到催化作用，加快电解质中氧化还原电对与阴极之间的电子交换速率，进而提高染料敏化太阳能电池的整体性能。
由于铂金属的优秀的电化学催化活性，铂材料广泛用作对电极材料，但铂价格昂贵，成本太高，不利于染料敏化太阳能电池的大规模生产，为了进一步降低成本，其他材料如碳纳米材料可用于铂的替代材料。碳纳米材料价格低，性能稳定，导电率高以及电催化活性好，因而被用作对电极得到了广泛的研究。但是碳纳米材料很容易发生团聚，一定程度上减弱了它的电化学性能，因此，对碳纳米材料进行功能化修饰以打破它的团聚，提高其分散性成为了重要的一个环节，这对染料敏化太阳能电池的效率有很重要的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：找到一种可以将碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，采用该方法功能化的碳纳米材料分散性好，所制备的对电极成本低廉。
本发明所采用的技术方案是：一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，按照如下步骤进行：
步骤一、将碳纳米材料加入到甲醇、N,N-二甲基甲酰胺DMF、N-甲基吡咯烷酮NMP、四氢呋喃THF等溶剂中的任意一种或几种混合溶剂中使混合均匀，碳纳米材料的质量百分比浓度为20%-90%，然后加入聚乙二醇400，再次混合均匀后获得涂料；
步骤二、将步骤一制备的涂料涂在FTO导电基板上，厚度为10μm -40μm，升温到300℃保温，然后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极。
作为一种优选方式：步骤一中的碳纳米材料是一种功能化的碳纳米材料，其制备方法为将修饰剂加入到修饰剂溶剂中，再向其中添加普通碳纳米材料，对得到的混合溶液进行超声处理，然后对混合溶液离心处理，收集沉淀物或者上层均匀分散的悬浮液，60℃干燥处理24h，得到功能化的碳纳米材料。修饰剂为表面活性剂、高分子材料、生物大分子材料，是溶菌酶、十六烷基氯化吡啶、脱氧胆酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、壳聚糖、十四烷基二甲基等中的任意一种或几种混合物。修饰剂溶剂为磷酸盐缓冲剂（PBS），乙酸，去离子水中的任意一种或几种的混合物。本发明制备的功能化的碳纳米材料能够有效提高染料敏化太阳能电池的效率，与普通碳纳米材料相比能够提高8%-15%的效率。
作为一种优选方式：步骤一中的碳纳米材料为单壁或多壁碳纳米管、阵列碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的任意一种或几种混合物。
作为一种优选方式：步骤二中的两次混合均采用超声破碎仪在200W功率下超声处理15min。
作为一种优选方式：步骤一中制备的涂料在采用转速为5000~7000rpm的高速冷冻离心机离心处理10~30min，静置3h收集沉淀物获得凝胶状涂料供步骤二使用。
作为一种优选方式：步骤二中在0.15~0.3MPa的氮气下进行，喷嘴采用口径为0.2~1.5mm的喷枪，喷嘴距离FTO导电基板垂直距离为15~20cm。
本发明的有益效果是：本发明提供的功能化碳纳米材料的方法，获得的功能化的碳纳米材料分散性好、光敏效率高；制备碳纳米材料的对电极的方法简单，成本低廉，可作为一种新的对电极材料应用到染料敏化太阳能电池中。
具体实施方式
实施例1
1）称取200mg溶菌酶（LZ）加到200ml磷酸盐缓冲剂（PBS）当中，形成LZ/PBS溶液；称取200mg多壁碳纳米管加入到LZ/PBS溶液中，使用超声破碎仪对其进行超声处理30min，功率为160W，形成LZ/PBS/多壁碳纳米管混合溶液；
2）将上述混合溶液在37℃，100rpm条件下摇动3h，然后离心处理15min，转速为6000rpm，获得的沉淀物用10ml磷酸盐缓存剂清洗5次以清除未包裹多壁碳纳米管的多余的溶菌酶；将沉淀物在60℃条件下干燥24h，获得功能化的LZ/多壁碳纳米管；
3）称取10mg LZ/多壁碳纳米管与4ml甲醇混合，使用超声破碎仪对混合溶液超声处理15min，功率为200W；再向上述混合溶液中添加6ml聚乙二醇400，再次使用超声破碎仪对新的混合溶液超声处理15min，功率为200W，形成LZ/多壁碳纳米管/甲醇/PEG400凝胶溶液；
4）对上述凝胶溶液进行离心20min，转速为7000rpm，倒掉多余的甲醇和PEG400，倒置静置3h收集沉淀物获得黑色的LZ/多壁碳纳米管/PEG400凝胶；
5）将上述凝胶均匀刮涂在FTO导电基板上，以5℃/min的速度升温至250℃保温30min，继续升温到300℃保温60min后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极。
实施例2
1）称取2mg聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）加到10ml去离子水当中，继续称取2mg阵列碳纳米管加入到上述溶液中，使用超声破碎仪对其进行超声处理30min，功率为160W，形成Triton X-100/阵列碳纳米管混合溶液；
2）将上述混合溶液心处理30min，转速为5000rpm，收集上层均匀分散的悬浮液，然后在60℃条件下干燥24h，获得功能化的Triton X-100/阵列碳纳米管；
3）称取10mgTriton X-100/阵列碳纳米管与2ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）混合，使用超声破碎仪对混合溶液超声处理15min，功率为200W；再向上述混合溶液中添加6ml聚乙二醇400，再次使用超声破碎仪对新的混合溶液超声处理15min，功率为200W，形成Triton X-100/阵列碳纳米管/DMF/PEG400凝胶溶液；
4）对上述凝胶溶液进行离心20min，转速为7000rpm，倒掉多余的PEG400，倒置静置3h收集沉淀物获得黑色的Triton X-100/阵列碳纳米管/PEG400凝胶；
5）将上述凝胶均匀刮涂在FTO导电基板上，以5℃/min的速度升温至250℃保温30min，继续升温到300℃保温60min后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极。
实施例3
1）称取10mg多壁碳纳米管与4ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）混合，使用超声破碎仪对混合溶液超声处理15min，功率为200W；再向上述混合溶液中添加6ml聚乙二醇400，再次使用超声破碎仪对新的混合溶液超声处理15min，功率为200W，形成多壁碳纳米管/DMF/PEG400凝胶溶液；
2）对上述凝胶溶液进行离心20min，转速为7000rpm，倒掉多余的PEG400，倒置静置3h收集沉淀物获得黑色的多壁碳纳米管/PEG400凝胶；
3）将上述凝胶均匀刮涂在FTO导电基板上，以5℃/min的速度升温至250℃保温30min，继续升温到300℃保温60min后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极。
实施例4
1）称取4mg壳聚糖（CS）加到4ml乙酸当中，继续称取4mg氧化石墨烯加入到上述溶液中，使用超声破碎仪对其进行超声处理30min，功率为160W，形成CS/氧化石墨烯混合溶液；
2）将上述混合溶液心处理30min，转速为5000rpm，收集上层均匀分散的悬浮液，然后在60℃条件下干燥24h，获得功能化的CS/氧化石墨烯；
3）称取10mgCS/氧化石墨烯与30ml N-甲基吡咯烷酮（NMP）混合，使用超声破碎仪对混合溶液超声处理15min，功率为200W；再向上述混合溶液中添加0.02g聚乙二醇400，再次使用超声破碎仪对新的混合溶液超声处理15min，功率为200W，形成CS/氧化石墨烯/NMP/PEG400喷涂浆料；
4）称取10mg原始的多壁碳纳米管与30ml四氢呋喃（THF）混合，使用超声破碎仪对混合溶液超声处理15min，功率为200W；再向上述混合溶液中添加0.02g聚乙二醇400，再次使用超声破碎仪对新的混合溶液超声处理15min，功率为200W，形成多壁碳纳米管/THF/PEG400喷涂浆料；
5）将制备好的多壁碳纳米管/THF/PEG400喷涂浆料，在压力0.2MPa氮气下采用喷嘴直径为0,5mm的喷枪，垂直于FTO导电基板，距离基板表面20cm的距离喷涂30s，待自然晾干后，再将制备好的CS/氧化石墨烯/NMP/PEG400喷涂浆料采取同样的方式喷涂在导电基板上，以5℃/min的速度升温至250℃保温30min，继续升温到300℃保温60min后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极，以上两种喷涂浆料进行喷涂形成交融性膜层，能够提高染料敏化太阳能电池效率3-5%左右，直接混合后喷涂无此效果。

Claims (8)

1.一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于按照如下步骤进行：
步骤一、将碳纳米材料加入到甲醇、N,N-二甲基甲酰胺DMF、N-甲基吡咯烷酮NMP、四氢呋喃THF中的任意一种或几种混合溶剂中使混合均匀，碳纳米材料的质量百分比浓度为20%-90%，然后加入聚乙二醇400，再次混合均匀后获得涂料；
步骤二、将步骤一制备的涂料涂在FTO导电基板上，厚度为10μm -40μm，升温到300℃保温，然后冷却到室温，得到染料敏化太阳能电池对电极。
2.根据权利要求1所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：步骤一中的碳纳米材料是一种非共价法功能化的碳纳米材料，其制备方法为将修饰剂加入到修饰剂溶剂中，再向其中添加普通碳纳米材料，对得到的混合溶液进行超声处理，然后对混合溶液离心处理，收集沉淀物或者上层均匀分散的悬浮液，60℃干燥处理24h，得到功能化的碳纳米材料。
3.根据权利要求2所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：修饰剂为表面活性剂、高分子材料、生物大分子材料，是溶菌酶、十六烷基氯化吡啶、脱氧胆酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、壳聚糖、十四烷基二甲基中的任意一种或几种混合物。
4.根据权利要求2所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：修饰剂溶剂为磷酸盐缓冲剂PBS，乙酸，去离子水中的任意一种或几种的混合物。
5.根据权利要求1所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：步骤一中的碳纳米材料为单壁或多壁碳纳米管、阵列或非阵列碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯、富勒烯中的任意一种或几种混合物。
6.根据权利要求1所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：步骤二中的两次混合均采用超声破碎仪在100~300W功率下超声处理15min。
7.根据权利要求1所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：步骤一中制备的涂料在采用转速为5000~7000rpm的高速冷冻离心机离心处理10~30min，静置3h收集沉淀物获得凝胶状涂料供步骤二使用。
8.根据权利要求1所述的一种碳纳米材料制备成染料敏化太阳能电池对电极的方法，其特征在于：步骤二中在0.15~0.3MPa的氮气下进行，喷嘴采用口径为0.2~1.5mm的喷枪，喷嘴距离FTO导电基板垂直距离为15~20cm。
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