CN110136964A - 用于染料敏化太阳电池的柔性对电极 - Google Patents

用于染料敏化太阳电池的柔性对电极 Download PDF

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张诗涵
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Abstract

本发明涉及一种用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，所述对电极包括有三层材料，位于下部的聚合物层、中间的金属纳米导电层和位于上层的碳材料层；所述碳材料层的制备材料包括多种碳材料和胶体，所述碳材料层的制备材料至少包括碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料。本发明具有低电阻率、高透光率的柔性导电衬底层，涂覆的碳材料层成膜性好、导电性能优异、催化活性高。

Description

用于染料敏化太阳电池的柔性对电极
技术领域
本发明涉及太阳能电池技术领域，具体涉及一种用于染料敏化太阳电池的柔性对电极。
背景技术
染料敏化太阳电池(DSSC)主要是模仿光合作用原理，研制出来的一种新型太阳能电池。DSSC是以低成本的纳米二氧化钛和光敏染料为主要原料，模拟自然界中植物利用太阳能进行光合作用，将太阳能转化为电能。DSSC因其成本低廉和制备工艺简单的特点而受到科技界的密切关注，被誉为第三代太阳电池。DSSC由光阳极、电解质、对电极组成。对电极是DSSC的重要组成部分，起到还原电解质的作用。铂对电极由于其电阻小和催化效果好，在导电玻璃上镀一层铂镜作为对电极，效果极好。但是铂的价格太高，不利于大量的使用，因此寻找廉价的、性能好的对电极材料，便成为迫切需要解决的问题。此外，由于柔性太阳电池具有质量轻、便携及抗弯折的特点，可用于太阳能汽车、太阳能帆船、太阳能背包上等，具有较大的应用潜力，因此柔性对电极的制备也非常重要。
碳材料作为一种化学性能稳定、热稳定性好的导电材料，对于电解质的还原反应具有较好的催化活性，而其价格又远低于贵金属铂，因而是在众多替代金属铂中最有潜力的一种材料。目前碳对电极的研究主要基于石墨、活性炭、导电炭黑等，通过增大其比表面积和电导率来提高碳对电极的催化活性，进而提高电池的转换效率。这些碳材料虽然具有良好的电催化活性，且来源广泛，价格低廉，但是存在成膜性不佳、刮涂在导电基底上容易脱落、易发生团聚、工业化生产难度大等问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，能够具有低电阻率、高透光率的柔性导电衬底层，涂覆的碳材料层成膜性好、导电性能优异、催化活性高。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，所述对电极包括有三层材料，位于下部的聚合物层、中间的金属纳米导电层和位于上层的碳材料层；所述碳材料层的制备材料包括多种碳材料和胶体，所述碳材料层的制备材料至少包括碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料。
本发明的有益效果是：对电极中设置了金属纳米导电层，使电极具有低电阻率、高透光率的柔性导电衬底层；采用碳材料替代了铂金属，化学性能稳定、热稳定性好，对于电解质的还原反应具有较好的催化活性，且耐碘腐蚀，而且成本极大降低；碳材料层采用多种碳材料和胶体混合制成，形态较单种碳材料具有好成膜性或导电性、催化活性，有利于提高太阳电池的光电转换效率，且具有较好的拉伸和弯曲性能，使得制成的对电极能具有柔性；本发明的对电极易成型，易实现大面积、工业化生产，对生产制备过程极易进行调控。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述聚合物层采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)和聚丙烯酸酯中的一种；优选采用PET或聚丙烯酸酯。
采用上述进一步方案的有益效果是：上述材料均具备一定的透光性，而且具有良好的耐高温性能和机械性能，作为基材能够使对电极具有更好的柔性和光学性能；而PET和聚丙烯酸酯性能更优，而且价格更为低廉，能够更好地降低对电极的成本。
进一步，所述金属纳米导电层为金属纳米线薄膜；金属纳米线薄膜优选采用的金属材料为银、铜、金中的一种或几种；最优选采用银纳米线薄膜。
采用上述进一步方案的有益效果是：金属纳米导电层作为导电衬底层，是为了改善和提高对电极的导电性能，采用金属纳米线薄膜能在保证导电性能的同时，有效保证整个金属纳米导电层的机械性能和稳定性，使其能够具有稳定的柔性；而银、铜、金的选择则是为了保证整个金属纳米线薄膜的导电性能和稳定性；最优采用银纳米线薄膜则是充分考虑了纳米银薄膜的导电性能和机械性能均是最优的。
进一步，所述碳材料层的制备材料的胶体为二氧化钛胶体。
采用上述进一步方案的有益效果是：采用二氧化钛胶体，不但粘附性好，而且还能有效提高碳材料层的抗紫外线能力和催化活性，能够在极大地提高碳材料层的成膜性的同时，提高整个碳材料层的化学和光学稳定性。
进一步，所述碳材料层的制备材料还包括乳化剂。
采用上述进一步方案的有益效果是：加入乳化剂能够有效提高二氧化钛胶体的分散性，使得碳材料层的碳材料和而氧化钛胶体能够混合更为均匀。
进一步，所述碳材料层中碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按照20～40:8～16:2～4:5的质量比混合；所述碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料的优选混合比例为20～30:10～15:3:5。
采用上述进一步方案的有益效果是：碳纳米管具有很好的取向性，一定的透光性，而且柔性较好，成膜后弯折时的电学性能稳定；加入少量导电炭黑则能够整体上提高碳材料层的电学性能；同时，碳纳米管具有多孔的特性，比表面积较高，加入一定量的石墨则能够进一步改善碳材料层的的催化活性；而石墨烯具有良好的光敏性能和电学性能，加入一定量石墨烯后能够进一步改善碳材料层的光敏性能和电学性能，同时还能够对整个碳材料层的成膜性有进一步的提高；采用上述配比制成的对电极应用于染料敏化太阳电池，能够使电池效率稳定达到3.5％以上。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、聚合物层，2、金属纳米导电层，3、碳材料层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明设计的一种用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，包括有三层材料，位于下部的聚合物层1、中间的金属纳米导电层2和位于上层的碳材料层3。聚合物层1作为基底材料，金属纳米导电层2作为导电衬底层，而碳材料层3起到导电和催化的双重效果，并且具有一定的封装性能。所述碳材料层3的制备材料包括多种碳材料和胶体，其中至少包括碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料。采用多层结构并且采用多种碳材料混合是基于目前碳材料对电极的缺陷设计的。聚合物层1能够使整个对电极具有基础柔性，而碳材料层3和金属纳米导电层2的设置则是考虑到单纯碳材料的电学性能不足，增加金属纳米导电层2能够有效提高对电极的导电性能，同时碳材料层3可以作为封装膜，将金属纳米导电层2与聚合物层1很好地封装成为一个柔性整体，性能稳定，不会脱落。
碳材料层3选用了至少四种碳材料混合而成是基于：碳纳米管具有很好的取向性，一定的透光性，而且柔性较好，成膜后弯折时的电学性能稳定；加入少量导电炭黑则能够整体上提高碳材料层的电学性能；同时，碳纳米管具有多孔的特性，比表面积较高，加入一定量的石墨则能够进一步改善碳材料层的的催化活性；而石墨烯具有良好的光敏性能和电学性能，加入一定量石墨烯后能够进一步改善碳材料层的光敏性能和电学性能，同时还能够对整个碳材料层的成膜性有进一步的提高。
本发明还提供了改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述聚合物层1采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)和聚丙烯酸酯中的一种；优选采用PET或聚丙烯酸酯。
本发明还提供了另一种改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述金属纳米导电层2为金属纳米线薄膜；金属纳米线薄膜优选采用的金属材料为银、铜、金中的一种或几种；最优选采用银纳米线薄膜。
本发明还提供了另一种改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述碳材料层3的制备材料的胶体为二氧化钛胶体。所述碳材料层3的制备材料还可加入乳化剂。
本发明还提供了另一种改进的技术方案，在改进的技术方案中，所述碳材料层中碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按照20～40:8～16:2～4:5的质量比混合；所述碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料的优选混合比例为20～30:10～15:3:5。
实施例1
S1、选取合适大小的PET基板，裁剪成聚合物层1，清洗、干燥；
S2、将质量比为2mg/ml的银纳米线异丙醇分散溶液用小型喷枪喷涂在聚合物层1，在聚合物层1表面镀上了银材质的金属纳米线导电层2；
S3、将碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按质量比40:16:4:5混合，加入二氧化钛胶体和乳化剂进行充分研磨；
S4、将S3获得的浆料刮涂在金属纳米线导电层2上，待其干燥后成为碳材料层3，并制得柔性对电极。
将柔性对电极与光阳极(结构：玻璃/FTO/TiO2/N719)、碘电解质(0.6 M1-丙基-3-甲基碘化咪唑盐、0.5 M3-叔丁基吡啶、0.3 M LiI、0.05 M I2的乙睛溶液)组成三明治结构染料敏化太阳电池，测得最大光电转换效率为4.6％。
实施例2
S1、选取合适大小的PC基板，裁剪成聚合物层1，清洗、干燥；
S2、将聚合物层1放入磁控溅射仪中，在溅射仪中放入金靶，开启真空泵，当真空度达到一定程度后通入保护气氛，通过调节保护气氛的通入量来控制放电电流，当放电电流达到一定值时启动溅射仪，溅射一段时间后关闭溅射仪，在聚合物层1表面镀上了金材质的金属纳米线导电层2；
S3、将碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按质量比20:12:3:5混合，加入二氧化钛胶体和乳化剂进行充分研磨；
S4、将S3获得的浆料刮涂在金属纳米线导电层2上，待其干燥后成为碳材料层3，并制得柔性对电极。
将柔性对电极与光阳极(结构：玻璃/FTO/TiO2/N719)、碘电解质(0.6 M1-丙基-3-甲基碘化咪唑盐、0.5 M3-叔丁基吡啶、0.3 M LiI、0.05 M I2的乙睛溶液)组成三明治结构染料敏化太阳电池，测得最大光电转换效率为4.2％。
实施例3
S1、选取合适大小的PEN基板，裁剪成聚合物层1，清洗、干燥；
S2、将质量比为20mg/ml的硫酸铜溶液，喷涂在聚合物层1上，风干后，将聚合物层1浸泡在甲醛溶液中，待反应完全后取出，用清水冲洗；而后将质量比为2mg/ml的银纳米线异丙醇分散溶液用小型喷枪喷涂在铜纳米层的表面，则在聚合物层1表面镀上了银、铜复合材质的金属纳米线导电层2；
S3、将碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按质量比30:8:2:5混合，加入二氧化钛胶体和乳化剂进行充分研磨；
S4、将S3获得的浆料刮涂在金属纳米线导电层2上，待其干燥后成为碳材料层3，并制得柔性对电极。
将柔性对电极与光阳极(结构：玻璃/FTO/TiO2/N719)、碘电解质(0.6 M1-丙基-3-甲基碘化咪唑盐、0.5 M3-叔丁基吡啶、0.3 M LiI、0.05 M I2的乙睛溶液)组成三明治结构染料敏化太阳电池，测得最大光电转换效率为3.6％。
实施例4
S1、将玻璃基片超声清洗、干燥；
S2、将2mg/ml的银纳米线异丙醇分散溶液用刮墨棒涂敷在S1的玻璃基片上，形成一定厚度银材质的金属纳米线导电层2；
S3、将加入光引发剂的丙烯酸单体材料涂覆在S2制得的金属纳米线导电层2表面，在紫外灯下照射100秒左右的时间，获得聚丙烯酸酯材质的聚合物层1，将聚合物层1连同金属纳米线导电层2一起从玻璃基片上揭下；
S4、将碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按质量比30:10:3:5混合，加入二氧化钛胶体和乳化剂进行充分研磨；
S5、将S4获得的浆料刮涂在金属纳米线导电层2上，待其干燥后制得碳材料层3，并制得柔性对电极。
将柔性对电极与光阳极(结构：玻璃/FTO/TiO2/N719)、碘电解质(0.6 M1-丙基-3-甲基碘化咪唑盐、0.5 M3-叔丁基吡啶、0.3 M LiI、0.05 M I2的乙睛溶液)组成三明治结构染料敏化太阳电池，测得最大光电转换效率为3.8％。
实施例5
S1、选取合适大小的PI基板，裁剪成聚合物层1，清洗、干燥；
S2、将质量比为20mg/ml的硫酸铜溶液，喷涂在聚合物层1上，风干后，将聚合物层1浸泡在甲醛溶液中，待反应完全后取出，用清水冲洗，在聚合物层1表面镀上了铜材质的金属纳米线导电层2；
S3、将碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按质量比30:14:3:5混合，加入二氧化钛胶体和乳化剂进行充分研磨；
S4、将S3获得的浆料刮涂在金属纳米线导电层2上，待其干燥后成为碳材料层3，并制得柔性对电极。
将柔性对电极与光阳极(结构：玻璃/FTO/TiO2/N719)、碘电解质(0.6 M1-丙基-3-甲基碘化咪唑盐、0.5 M3-叔丁基吡啶、0.3 M LiI、0.05 M I2的乙睛溶液)组成三明治结构染料敏化太阳电池，测得最大光电转换效率为4.1％。
实施例6
S1、选取合适大小的PEN基板，裁剪成聚合物层1，清洗、干燥；
S2、将质量比为2mg/ml的银纳米线异丙醇分散溶液用小型喷枪喷涂在聚合物层1，在聚合物层1表面镀上了银材质的金属纳米线导电层2；
S3、将碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按质量比30:12:4:5混合，加入二氧化钛胶体和乳化剂进行充分研磨；
S4、将S3获得的浆料刮涂在金属纳米线导电层2上，待其干燥后成为碳材料层3，并制得柔性对电极。
将柔性对电极与光阳极(结构：玻璃/FTO/TiO2/N719)、碘电解质(0.6 M1-丙基-3-甲基碘化咪唑盐、0.5 M3-叔丁基吡啶、0.3 M LiI、0.05 M I2的乙睛溶液)组成三明治结构染料敏化太阳电池，测得最大光电转换效率为4.4％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述对电极包括有三层材料，位于下部的聚合物层(1)、中间的金属纳米导电层(2)和位于上层的碳材料层(3)；所述碳材料层(3)的制备材料包括多种碳材料和胶体，所述碳材料层(3)的制备材料至少包括碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料。
2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述聚合物层(1)采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚碳酸酯和聚丙烯酸酯中的一种。
3.根据权利要求2所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述聚合物层(1)采用的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚丙烯酸酯。
4.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述金属纳米导电层(2)为金属纳米线薄膜。
5.根据权利要求4所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述金属纳米导电层(2)的金属纳米线薄膜采用的金属材料为银、铜、金中的一种或几种。
6.根据权利要求5所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述金属纳米导电层(2)的金属纳米线薄膜为银纳米线薄膜。
7.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述碳材料层(3)的制备材料的胶体为二氧化钛胶体。
8.根据权利要求5所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述碳材料层(3)的制备材料还包括乳化剂。
9.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述碳材料层(3)中碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按照20～40:8～16:2～4:5的质量比混合。
10.根据权利要求7所述的用于染料敏化太阳电池的柔性对电极，其特征在于：所述碳材料层(3)中碳纳米管、石墨、导电炭黑和石墨烯四种碳材料按照20～30:10～15:3:5的质量比混合。
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