一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法
【專利摘要】一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，涉及一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法。本發(fā)明是為了解決目前染料敏化太陽能電池的Pt對電極成本高，液態(tài)電解質(zhì)和電解液對鉑存在腐蝕作用以及鉑粒與導(dǎo)電基底的粘著力差的技術(shù)問題。本發(fā)明：一、溶劑熱反應(yīng)；二、離心、洗滌和晾干；三、煅燒。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明的方法是一種操作簡單、成本低廉、具有較高的催化活性和穩(wěn)定性的染料敏化太陽能電池的對電極材料，利用六氯化鎢作為鎢源和氧化石墨通過溶劑熱的方法合成W18O49-rGO，可以作為染料敏化太陽能電池的對電極。
【專利說明】-種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 染料敏化太陽能電池值ye-sensitized solar cell)是一種模仿光合作用原理 的、廉價(jià)的薄膜太陽能電池。它是基于光敏電極和電解質(zhì)構(gòu)成的半導(dǎo)體的電化學(xué)系統(tǒng)，其應(yīng) 用材料廉價(jià)，不需要用精密儀器制造，而且造價(jià)與其他種類電池相比有明顯的優(yōu)勢，同時(shí)還 可W被制成軟片，機(jī)械強(qiáng)度大，不需要特別保護(hù)來防止樹枝的撞擊。
[0003] 自1991年瑞±科學(xué)家M. Gratzd教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組在染料敏化太陽能電池技術(shù) 上取得突破W來，歐、美、日等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)投入大量資金進(jìn)行研發(fā)，使得染料敏化太陽 能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有了很大的提高。又因其原材料豐富、成本低、工藝技術(shù)相對簡單， 同時(shí)所有原材料和生產(chǎn)工藝都無毒、無污染，部分材料還可W得到充分的回收等優(yōu)勢得到 了人們的大力關(guān)注，對保護(hù)人類環(huán)境具有重要意義。
[0004] 染料敏化太陽能電池的對電極作為還原催化劑，通常是在帶有透明導(dǎo)電的玻璃上 鍛上笛。雖然笛電極顯示出較高的催化活性，但是笛作為貴金屬，制備對電極必然會(huì)大大提 高電池的成本，尤其是在大面積、實(shí)用化電池組件中。同時(shí)笛電極存在公認(rèn)的兩個(gè)問題；（1) 液態(tài)電解質(zhì)和電解液對笛存在的腐蝕作用；（2)笛粒與導(dǎo)電基底的粘著力差。該兩個(gè)問題 都會(huì)大大降低染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。于是，人們把目光轉(zhuǎn)向性能更高、更穩(wěn) 定、制作更簡單、成本更低廉的可替代笛的材料上。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005] 本發(fā)明是為了解決目前染料敏化太陽能電池的Pt對電極成本高，液態(tài)電解質(zhì)和 電解液對笛存在腐蝕作用W及笛粒與導(dǎo)電基底的粘著力差的技術(shù)問題，而提供一種染料敏 化太陽能電池的對電極材料的制備方法。
[0006] 本發(fā)明的一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法具體是按W下步驟 進(jìn)行的：
[0007] -、將WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨混合溶解在無水己醇中， 得到混合溶液I，然后將混合溶液I密封于反應(yīng)蓋中，在溫度為18(TC的條件下保溫2化進(jìn) 行溶劑熱反應(yīng)，自然冷卻至室溫，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法 制備的氧化石墨的質(zhì)量比為1: (1?3);所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧 化石墨總共的質(zhì)量與無水己醇的體積比為lg:200mL ;
[000引二、將步驟一得到的混合溶液II離也，得到固相的Wi804g-@rGO復(fù)合物，用己醇洗涂 固相的Wi化g-@rG0復(fù)合物3次?4次，然后在室溫下自然瞭干，得到黑色粉末；
[0009] H、將步驟二得到的黑色粉末溶解在異丙醇中，機(jī)械攬拌12h，得到黑色溶液，使用 噴筆將黑色溶液均勻的噴涂在干凈的FT0導(dǎo)電玻璃上，將噴涂有黑色溶液的FT0玻璃在N2 保護(hù)和溫度為50(TC的條件下鍛燒30min，自然降至室溫，得到Wi8〇4g-@rGO ;所述的黑色粉末 的質(zhì)量與異丙醇的體積比為lg:l〇〇mL。
[0010] 本發(fā)明的原理：
[0011] 石墨帰具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，而Wis〇4g可W提供大量的活性位點(diǎn)，本發(fā)明由兩者形 成的Wi化9-@rG0復(fù)合結(jié)構(gòu)既可W保持石墨帰的導(dǎo)電性能，又可W保持Wi8〇49的催化活性，另 外在Wi8〇4g-@rGO的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，片層結(jié)構(gòu)的石墨帰提供與電解液接觸的巨大面積，大大增 加了電子的傳輸速率，Wi8〇4g中大量的活性位點(diǎn)有效的將f還原為r。
[001引本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0013] 本發(fā)明的方法是一種操作簡單、成本低廉、具有較高的催化活性和穩(wěn)定性的染料 敏化太陽能電池的對電極材料，利用六氯化鶴作為鶴源和氧化石墨通過溶劑熱的方法合成 Wi8〇4g-@rGO,可W作為染料敏化太陽能電池的對電極。染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率 達(dá)到7.2%，與Pt電極十分接近。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1是試驗(yàn)一制備的Wi8〇49-@rGO的沈M圖；
[00巧]圖2是試驗(yàn)一制備的Wi8〇49-@rGO的X畑圖；
[001引圖3是光電流-光電壓曲線圖，曲線1是試驗(yàn)二中采取試驗(yàn)一制備的的Wi804g-@rGO 作為對電極制備的染料敏化太陽能電池器件，曲線2是試驗(yàn)H用Pt對電極制備的染料敏化 太陽能電池器件。
【具體實(shí)施方式】
[0017]
【具體實(shí)施方式】一；本實(shí)施方式是一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方 法，具體是按W下步驟進(jìn)行的：
[001引一、將WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨混合溶解在無水己醇中， 得到混合溶液I，然后將混合溶液I密封于反應(yīng)蓋中，在溫度為18(TC的條件下保溫2化進(jìn) 行溶劑熱反應(yīng)，自然冷卻至室溫，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法 制備的氧化石墨的質(zhì)量比為1: (1?3);所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧 化石墨總共的質(zhì)量與無水己醇的體積比為Ig:200血；
[0019] 二、將步驟一得到的混合溶液II離也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO復(fù)合物，用己醇洗涂 固相的Wi化g-@rG0復(fù)合物3次?4次，然后在室溫下自然瞭干，得到黑色粉末；
[0020] H、將步驟二得到的黑色粉末溶解在異丙醇中，機(jī)械攬拌12h，得到黑色溶液，使用 噴筆將黑色溶液均勻的噴涂在干凈的FT0導(dǎo)電玻璃上，將噴涂有黑色溶液的FT0玻璃在N2 保護(hù)和溫度為50(TC的條件下鍛燒30min，自然降至室溫，得到Wi8〇4g-@rGO ;所述的黑色粉末 的質(zhì)量與異丙醇的體積比為lg:l〇〇mL。
[0021] 本實(shí)施方式的原理：
[0022] 石墨帰具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，而Wis〇4g可W提供大量的活性位點(diǎn)，本實(shí)施方式由兩 者形成的Wi8〇4g-@rGO復(fù)合結(jié)構(gòu)既可W保持石墨帰的導(dǎo)電性能，又可W保持Wis〇4g的催化活 性，另外在Wi8〇4g-@rGO的復(fù)合結(jié)構(gòu)中，片層結(jié)構(gòu)的石墨帰提供與電解液接觸的巨大面積，大 大增加了電子的傳輸速率，Wi8〇4g中大量的活性位點(diǎn)有效的將f還原為r。
[0023] 本實(shí)施方式的優(yōu)點(diǎn)：
[0024]本實(shí)施方式的方法是一種操作簡單、成本低廉、具有較高的催化活性和穩(wěn)定性的 染料敏化太陽能電池的對電極材料，利用六氯化鶴作為鶴源和氧化石墨通過溶劑熱的方法 合成Wi8〇4g-@rGO,可W作為染料敏化太陽能電池的對電極。染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn) 換效率達(dá)到7. 2%，與Pt電極十分接近。
[00巧]【具體實(shí)施方式】二；本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是；步驟一中所述的傳統(tǒng) 的Hummers法制備的氧化石墨的方法是：
[002引一、將Ig石墨加入25血的濃硫酸中，緩慢攬拌，再緩慢加入Ig的NaN03,分3次緩 慢加入一共3g的高猛酸鐘，在冰水浴的條件下攬拌15min?30min，用保鮮膜封口，撤去冰 水浴，然后攬拌2化，分3次快速的在攬拌的條件下加入一共40mL的蒸觸水，在攬拌的條件 下滴加lOmL的&02,至體系顏色不再改變即停止攬拌；
[0027] 二、將上述體系離也，得到固體，用1?2mol/L的HN03離也洗涂固體3次，加入 30mL的己醇，超聲后離也，得固體，將固體平鋪在干凈的表面皿中，在室溫下真空干燥2化， 研磨，得到氧化石墨。。其它與【具體實(shí)施方式】一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0028] H ;本實(shí)施方式與一或二不同的是：步驟一中所述的 WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨的質(zhì)量比為1:3。其它與一 或二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0029] 四；本實(shí)施方式與一至H之一不同的是：步驟二中將 步驟一得到的混合溶液II離也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO復(fù)合物，用己醇洗涂固相的Wi8〇4g-@ rGO復(fù)合物3次，然后在室溫下自然瞭干，得到黑色粉末。其它與一至H之一 相同。
[0030] 采用下述試驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明的效果：
[0031] 試驗(yàn)一：本試驗(yàn)為一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，具體是按 W下步驟進(jìn)行的：
[0032] -、將WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨混合溶解在無水己醇中， 得到混合溶液I，然后將混合溶液I密封于反應(yīng)蓋中，在溫度為18(TC的條件下保溫2化進(jìn) 行溶劑熱反應(yīng)，自然冷卻至室溫，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法 制備的氧化石墨的質(zhì)量比為1:3 ;所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨 總共的質(zhì)量與無水己醇的體積比為lg:200mL ;
[003引二、將步驟一得到的混合溶液II離也，得到固相的Wi804g-@rGO復(fù)合物，用己醇洗涂 固相的Wi化9-@rG0復(fù)合物3次，然后在室溫下自然瞭干，得到黑色粉末；
[0034] H、將步驟二得到的黑色粉末溶解在異丙醇中，機(jī)械攬拌12h，得到黑色溶液，使用 噴筆將黑色溶液均勻的噴涂在干凈的FT0導(dǎo)電玻璃上，將噴涂有黑色溶液的FT0玻璃在N2 保護(hù)和溫度為50(TC的條件下鍛燒30min，自然降至室溫，得到Wi8〇49-@rGO ;所述的黑色粉末 的質(zhì)量與異丙醇的體積比為lg:l〇〇mL。
[00巧]試驗(yàn)二：制備染料敏化太陽能電池器件，具體是按W下進(jìn)行：
[0036] -、采用刮涂的方法刮涂第一層光陽極膜，放在在馬弗爐中在12CTC條件下烘干 lOmin，用刮涂的方法進(jìn)行第二次的刮涂，放在在馬弗爐中在12CTC條件下烘干lOmin，W相 同的方法進(jìn)行第H次刮涂，放在在馬弗爐中在12CTC條件下烘干lOmin，使用馬弗爐W 2C / min的升溫速度加熱到450。并在45CTC保溫30min，自然降溫至8(TC時(shí)進(jìn)行敏化處理，得 到敏化后的光陽極；
[0037] 二、將本試驗(yàn)中步驟一得到的敏化后的光陽極和試驗(yàn)一得到的Wi8〇4g-@rGO作為對 電極用封口膜組裝在一起，在兩極之間注入電解液，構(gòu)筑成為H明治結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽 能電池器件；所述的電解液是甲氧基己膳、12、叔下基化巧、Lil、苯并和脈的混合物，其中甲 氧基己膳是10血，12的濃度是0. 〇3mol/L、叔下基化巧的濃度是0. 5mol/L、Lil的濃度是 0. Imol/L、苯并的濃度是0. Imol/L、脈的濃度是0. Imol/Lo
[0038] 試驗(yàn)H ;本試驗(yàn)為對比試驗(yàn)，制備染料敏化太陽能電池器件，具體是按W下進(jìn)行：
[0039] -、采用刮涂的方法刮涂第一層光陽極膜，放在在馬弗爐中在12CTC條件下烘干 lOmin，用刮涂的方法進(jìn)行第二次的刮涂，放在在馬弗爐中在12CTC條件下烘干lOmin，W相 同的方法進(jìn)行第H次刮涂，放在在馬弗爐中在12CTC條件下烘干lOmin，使用馬弗爐W 2C / min的升溫速度加熱到450。并在45CTC保溫30min，自然降溫至8(TC時(shí)進(jìn)行敏化處理，得 到敏化后的光陽極；
[0040] 二、用微量注射器（10 UL)注射20 UL的氯笛酸于導(dǎo)電玻璃上，待其在室溫下瞭干 后，將導(dǎo)電玻璃放入馬弗爐中在40(TC賠燒30min，即可得到Pt對電極；將本試驗(yàn)中步驟一 得到的敏化后的光陽極和Pt對電極用封口膜組裝在一起，在兩極之間注入電解液，構(gòu)筑成 為H明治結(jié)構(gòu)的染料敏化太陽能電池器件；所述的電解液是甲氧基己膳、I,、叔下基化巧、 Lil、苯并和脈的混合物，其中甲氧基己膳是10血，12的濃度是0.03mol/L、叔下基化巧的濃 度是0. 5mol/L、Lil的濃度是0. Imol/L、苯并的濃度是0. Imol/L、脈的濃度是0. Imol/Lo [00川圖1是試驗(yàn)一制備的Wi化9-@rG0的沈M圖，可W從圖中看到Wi8049納米線均勻的 分散在片層的石墨帰上。
[004引圖2是試驗(yàn)一制備的Wi804g-@rGO的邸D圖，從圖中可W明顯的看到在23. 0。和 47.4°分別對應(yīng)著Wi8049的（010)晶面和（020)晶面，在23. r對應(yīng)著石墨帰的（002)晶 面。
[004引圖3是光電流-光電壓曲線圖，曲線1是試驗(yàn)二中采取試驗(yàn)一制備的的Wi804g-@rGO 作為對電極制備的染料敏化太陽能電池器件，曲線2是試驗(yàn)H用Pt對電極制備的染料敏化 太陽能電池器件，從圖中可W看到WWi化g-@rG0和Pt材料為對電極的染料敏化太陽能電池 的短路光電流分別對應(yīng)著25. 08mA ? cnT2和16. 1mA ? cnT2,開路光電壓分別對應(yīng)著0. 743V 和0. 734V，利用光電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式來計(jì)算試驗(yàn)二和試驗(yàn)H中的染料敏化太陽能電池光 電轉(zhuǎn)換效率分別為7. 2%和7. 6% ;
[0044] 光電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算公式： J'scxVocyJ'y
[0045] 巧二---
[004引式中Jsc，Voc，F(xiàn)F和Pi。分別代表染料敏化太陽能電池的短路光電流，開路光電壓， 填充因子和測試時(shí)入射光的強(qiáng)度（本試驗(yàn)中為lOOmW ? cm-2);
[0047] 其中，填充因子的計(jì)算公式為：
[0048] … ,/scx Voc
[0049] 式中（JXV)m"代表染料敏化太陽能電池的最大輸出功率，Jsc和Voc分別代表染 料敏化太陽能電池的短路光電流和開路光電壓；
[0050] 綜上可W說明試驗(yàn)二中采取試驗(yàn)一制備的的Wi8〇4g-@rGO作為對電極制備的染料 敏化太陽能電池器件的光電流得到了明顯的增加，光電轉(zhuǎn)換效率基本不變，可W說明試驗(yàn) 一制備的Wi8〇4g-@rGO能成為笛電極的替代材料作為染料敏化太陽能電池的對電極。
【權(quán)利要求】
1. 一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，其特征在于染料敏化太陽能電 池的對電極材料的制備方法是按W下步驟進(jìn)行的： 一、 將WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨混合溶解在無水己醇中，得到 混合溶液I，然后將混合溶液I密封于反應(yīng)蓋中，在溫度為18(TC的條件下保溫24h進(jìn)行溶 劑熱反應(yīng)，自然冷卻至室溫，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備 的氧化石墨的質(zhì)量比為1: (1?3);所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石 墨總共的質(zhì)量與無水己醇的體積比為lg:200mL ; 二、 將步驟一得到的混合溶液II離也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO復(fù)合物，用己醇洗涂固相 的Wi8〇4g-@rGO復(fù)合物3次?4次，然后在室溫下自然瞭干，得到黑色粉末； H、將步驟二得到的黑色粉末溶解在異丙醇中，機(jī)械攬拌12h，得到黑色溶液，使用噴筆 將黑色溶液均勻的噴涂在干凈的FTO導(dǎo)電玻璃上，將噴涂有黑色溶液的FTO玻璃在N2保護(hù) 和溫度為50(TC的條件下鍛燒30min，自然降至室溫，得到Wi8〇49-@rGO ;所述的黑色粉末的質(zhì) 量與異丙醇的體積比為lg:l〇〇mL。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，其特征 在于步驟一中所述的傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨的方法是： 一、 將Ig石墨加入25血的濃硫酸中，緩慢攬拌，再緩慢加入Ig的NaN03,分3次緩慢 加入一共3g的高猛酸鐘，在冰水浴的條件下攬拌15min?30min，用保鮮膜封口，撤去冰水 浴，然后攬拌2化，分3次快速的在攬拌的條件下加入一共40mL的蒸觸水，在攬拌的條件下 滴加lOmL的肥02,至體系顏色不再改變即停止攬拌； 二、將上述體系離也，得到固體，用1?2mol/L的HN03離也洗涂固體3次，加入30血的 己醇，超聲后離也，得固體，將固體平鋪在干凈的表面皿中，在室溫下真空干燥2化，研磨，得 到氧化石墨。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，其特征 在于步驟一中所述的WCle粉末和用傳統(tǒng)的Hummers法制備的氧化石墨的質(zhì)量比為1: 3。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，其特征 在于步驟二中將步驟一得到的混合溶液II離也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO復(fù)合物，用己醇洗 涂固相的Wi化g-@rG0復(fù)合物3次，然后在室溫下自然瞭干，得到黑色粉末。
【文檔編號】H01G9/042GK104465103SQ201410850424
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月31日
【發(fā)明者】潘凱, 隋思雨, 付宏剛, 謝穎, 刑子鵬, 廖永平, 王秀文 申請人:黑龍江大學(xué)