專利名稱：染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法
技術領域：
染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種應用于染料敏化太陽能電池中的氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法。
背景技術：
染料敏化太陽能電池由于制作工藝簡單、成本低、轉(zhuǎn)換效率高而受到廣泛關注。做為染料敏化太陽能電池的主要組成部分，對電極的主要作用是接受外電路來的電子并催化還原電解質(zhì)中的13_為Γ。目前染料敏化太陽能電池對電極主要是將鉬沉積在基底上制備的鉬對電極。雖然鉬催化活性高，但鉬是稀有貴金屬，價格太高，而且在含有1_/13_氧化還原對的電解質(zhì)中穩(wěn)定性不好。近年來，出現(xiàn)了采用碳材料和導電聚合物代替鉬制備低價對電極報道，但由于碳材料和導電聚合物的催化活性比鉬低，因此組裝電池的光電轉(zhuǎn)換效率還偏低。石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維材料。由于其特殊的結構使其具有高的比表面積、電導性、機械強度及穩(wěn)定性等特點，因此在光電子、能量貯存與轉(zhuǎn)換、電催化等領域引進了人們的極大關注。2011年2月16日公布的CN101976608A 中國發(fā)明專利公開了一種以納米結構的、大比表面積的石墨烯為原料，涂覆在玻璃基板上制備石墨烯對電極的方法。但實驗證明，采用石墨烯做為染料敏化太陽能電池的對電極，其催化活性并不高。這主要是由于石墨烯本身的缺陷少，催化活性點少造成的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種電催化活性高，穩(wěn)定性好，價格低廉的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是該染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極，包括基底，其特征在于在所述基底表面上均勻固化有多層氮摻雜石墨烯的薄膜。所述多層氮摻雜石墨烯膜的層數(shù)為2 5層，總厚度為0. 1-15微米。可通過控制分散液中氮摻雜石墨烯的濃度或增加涂覆層數(shù)來控制基底表面氮摻雜石墨烯膜的厚度。所述基底為導電玻璃片、ITO導電聚酯片、鈦片、透明聚酯片或玻璃片中的一種。當僅涂覆一層氮摻雜石墨烯膜時，可采用導電玻璃片、ITO導電聚酯片或鈦片作為基底。當?shù)獡诫s石墨烯的濃度較高或涂覆層數(shù)較多時，也可直接采用不導電的普通玻璃片、聚酯片等作為基底。所述將氮摻雜石墨烯膜固化到基底上的方法包括提拉、旋涂、滴涂、噴涂或印刷。一種制備上述染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的方法，其特征在于，該制備方法包括如下步驟1)采用水熱法制備氮摻雜石墨烯；2)將制備好的氮摻雜石墨烯分散到溶劑中，通過超聲和攪拌形成均勻穩(wěn)定的分散液；所述溶劑為水、乙醇、異丙醇、正丁醇中的一種或二種任意比例的混合物；
3)將基底預熱至45 90°C，然后將分散液通過提拉、旋涂、滴涂、噴涂或印刷的方法均勻固化到基底表面，并在真空條件下干燥0. 5 2小時，干燥溫度為50 300°C，制得染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極。步驟2)中，所述分散液中氮摻雜石墨烯的濃度為0. 1-1. 5mg/mL。優(yōu)選的，所述分散液中氮摻雜石墨烯的濃度為0. 3-1. ang/mL。步驟幻中，所述干燥溫度為80 200°C。此外，步驟1)中所述水熱法制備氮摻雜石墨烯的具體步驟為(1)將30 80mg氧化石墨烯分散到IOOmL去離子水中，超聲分散0. 5 1小時， 加入氨水1 anl，調(diào)節(jié)溶液PH = 10 11 ；(2)將上述溶液放入襯有聚四氟乙烯的水熱釜中，在100 200°C下，水熱反應 8 24小時；(3)自然冷卻到室溫后，過濾水熱釜中的反應液，并用去離子水和乙醇多次沖洗濾出的產(chǎn)物，然后在50°C真空下干燥，制得氮摻雜石墨烯。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法所具有的有益效果是1、采用氮摻雜石墨烯作為原料制備對電極，一方面利用石墨烯比表面積大，電導率高、穩(wěn)定性好、強度大等優(yōu)點，另一方面由于氮摻雜石墨烯中，氮原子以不同的形式代替晶格中的碳，在摻雜石墨烯中形成較多的缺陷點，因此可以大大提高對電極的電催化活性，改善所制備對電極的性能，應用于染料敏化太陽能電池中，光電轉(zhuǎn)換效率超過 6. 5% ；2、氮摻雜石墨烯材料容易制備，價格相對較低，穩(wěn)定性好，機械強度高，來源廣泛，可適用于各種電極基底，制備各種形狀和尺寸的電極，有利于染料敏化太陽能電池的工業(yè)化生產(chǎn)與實際應用；3、制備工藝簡單，不需要特殊、復雜的設備，可使染料敏化太陽能電池的制造成本進一步降低。


圖1為實施例1制備的氮摻雜石墨烯X-射線光電子能譜圖。圖2為實施例1中基于染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的染料敏化太陽能電池的I-V曲線。下面結合附圖1 2對本發(fā)明做進一步說明，其中實施例1為最佳實施例
具體實施例方式下述實施例中所述實驗方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；下述氧化石墨烯的合成方法參見文獻(W. Hummers，J. Am. Chem. Soc. 1958,80 :1339)；其它所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實施例1首先采用水熱法制備氮摻雜石墨烯取30mg氧化石墨烯分散于IOOmL去離子水中，超聲分散0. 5小時，使氧化石墨烯完全溶解，生成均勻的棕黃色溶液，加入氨水lml，調(diào)節(jié)體系pH值=10。將調(diào)節(jié)好pH值的溶液放入襯有聚四氟乙烯的水熱釜中，在150°C下，水熱反應M小時。自然冷卻到室溫后， 過濾水熱釜中的反應液，并用去離子水和乙醇多次清洗產(chǎn)物，然后真空50°C下干燥得氮摻雜石墨烯。氮摻雜石墨烯用X-射線光電子能譜表征，如圖1所示，圖中出現(xiàn)明顯的NlS峰。將氮摻雜石墨烯固化到導電玻璃表面，制備出染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極取8mg制備好的氮摻雜石墨烯加入異丙醇中，超聲2個小時，形成均勻、穩(wěn)定的分散液體系，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為0. 8mg/mL。將導電玻璃清洗干凈，然后預熱到 90°C，然后用噴涂的方法將溶有氮摻雜石墨烯的分散液涂到預熱的導電玻璃基底上，形成一層氮摻雜石墨烯的薄膜，厚度約為7微米。將制備的電極放入真空中80°C干燥1小時，制備出染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極。制備氮摻雜石墨烯對電極染料敏化太陽能電池首先對導電玻璃進行預處理，然后將二氧化鈦漿料涂敷在處理好的導電玻璃上， 高溫處理后浸入染料中吸附過夜形成電池的工作電極，在工作電極上覆蓋上述制備的氮摻雜石墨烯對電極，兩電極間的縫隙填充含有Γ/ι3-氧化還原對的電解質(zhì)，制備成染料敏化太陽能電池。測量制備的染料敏化太陽能電池光電轉(zhuǎn)化效率。電池的光電I-V曲線如圖2所示.電池性能的測試是通過從電池的的工作電極與對電極上引出兩條導線接到電池性能測試裝置上。電池的工作面積為0.2cm_2，光照強度是lOOmW/cm2。填充因子(ff)是指在I-V曲線中可獲得最大輸出功率的點上的電流電壓乘積(I。ptXV。pt)與IscXV0JIsc為短路光電流，V。。為開路光電壓)之比，它體現(xiàn)電池的輸出功率隨負載的變動特性。光電轉(zhuǎn)換效率(η)則是1_\￥_與輸入的光功率？&之比。由圖2計算電池的短路光電流、開路光電壓、填充因子和光電轉(zhuǎn)換效率分別為 14. 18mA/cm2、0. 685V、0. 67 和 6. 51%。實施例2取80mg氧化石墨烯加入IOOml去離子水中，超聲分散1小時，使氧化石墨烯完全溶解，生成均勻的棕黃色溶液，然后加入氨水1. 5ml，使溶液的pH值=11。將調(diào)節(jié)好pH值的溶液放入襯有聚四氟乙烯內(nèi)襯的水熱釜中，在200°C下水熱22小時。自然冷卻到室溫后， 過濾水熱釜中的反應液，用去離子水和乙醇多次沖洗濾出的產(chǎn)物，然后真空50°C下干燥，制得氮摻雜石墨烯。取2mg制備好的氮摻雜石墨烯分散到異丙醇中，超聲1小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為0. lmg/mL，用旋涂法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至45°C的ITO導電聚酯片表面，形成一層氮摻雜石墨烯的薄膜，厚度約為0. 1微米。將制備的電極在真空條件下60°C干燥0. 5小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例3取50mg氧化石墨烯分散于IOOmL去離子水中，超聲分散45min，使氧化石墨烯完全溶解，生成均勻的棕黃色溶液，加入氨水l.anl，調(diào)節(jié)體系PH值=10.5。將調(diào)節(jié)好PH值的溶液放入襯有聚四氟乙烯的水熱釜中，在150°C下，水熱反應M小時。自然冷卻到室溫后， 過濾水熱釜中的反應液，并用去離子水和乙醇多次清洗產(chǎn)物，然后真空50°C下干燥，得氮摻雜石墨烯。取20mg制備好的氮摻雜石墨烯分散到乙醇中，超聲1小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為1. 5mg/mL，用提拉法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至90°C的鈦片表面，形成一層氮摻雜石墨烯膜，厚度約為2微米。將制備的電極在真空條件下300°C干燥0. 5小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例4氮摻雜石墨烯的制備方法同實施例1。取20mg制備好的氮摻雜石墨烯分散到乙醇中，超聲1小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為1. 5mg/mL，用滴涂法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至70°C的導電玻璃表面，形成一層氮摻雜石墨烯薄膜，反復滴涂2次，氮摻雜石墨烯薄膜厚度約為15微米。將制備的電極在真空條件下50°C干燥2小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例5氮摻雜石墨烯的制備方法同實施例1。取IOmg制備好的氮摻雜石墨烯分散到去離子水中，超聲1小時形成均勻分散液， 氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為lmg/mL，用滴涂法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至45°C的透明聚酯片表面，形成氮摻雜石墨烯薄膜，總厚度約為7微米。真空條件下50°C 干燥2小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例6氮摻雜石墨烯的制備方法同實施例1。取20mg制備好的氮摻雜石墨烯分散到正丁醇中，超聲1小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為0. 5mg/mL，用印刷法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至70°C的普通玻璃片表面，反復印刷3遍，形成總厚度約為5微米氮摻雜石墨烯膜。真空條件下200°C干燥1小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例7氮摻雜石墨烯的制備方法同實施例1。取15mg制備好的氮摻雜石墨烯分散到乙醇和異丙醇的混合溶液(體積比為 1 1)中，超聲1小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為0.5mg/mL用印刷法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至45°C的ITO導電聚酯片表面，形成一層氮摻雜石墨烯膜，厚度約為2微米。將制備的電極在真空條件下60°C干燥1.5小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例8氮摻雜石墨烯的制備方法同實施例1。取15mg氮摻雜石墨烯分散到正丁醇與水的混合溶液(體積比為2 1)中，超聲1 小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為lmg/mL，用提拉法將氮摻雜石墨烯沉積到預先清洗干凈并預熱至60°C的導電玻璃基底表面，厚度約為1. 5微米，真空條件下 300°C干燥0. 5小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。實施例9氮摻雜石墨烯的制備方法同實施例1。取15mg制備好的氮摻雜石墨烯分散到正丁醇和異丙醇的混合溶液(體積比為 1 2)中，超聲1小時形成均勻分散液，氮摻雜石墨的烯分散液的濃度為0.7mg/mL用噴涂法將上述分散液固化到預先清洗干凈并預熱至45°C的ITO導電聚酯片表面，形成一層氮摻雜石墨烯膜，厚度約為6微米。將制備的電極在真空條件下80°C干燥1.5小時。制備出氮摻雜石墨烯電極。 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非是對本發(fā)明作其它形式的限制，任何熟悉本專業(yè)的技術人員可能利用上述揭示的技術內(nèi)容加以變更或改型為等同變化的等效實施例。但是凡是未脫離本發(fā)明技術方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極，包括基底，其特征在于在所述基底表面上均勻固化有多層氮摻雜石墨烯的薄膜。
2.根據(jù)權利要求1所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極，所述多層氮摻雜石墨烯膜的層數(shù)為2 5層，總厚度為0. 1-15微米。
3.根據(jù)權利要求1所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極，其特征在于所述基底為導電玻璃片、ITO導電聚酯片、鈦片、透明聚酯片或玻璃片中的一種。
4.根據(jù)權利要求1所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極，其特征在于所述將氮摻雜石墨烯膜固化到基底上的方法包括提拉、旋涂、滴涂、噴涂或印刷。
5.制備如權利要求1 4任一項所述染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的制備方法，其特征在于，包括如下步驟5. 1采用水熱法制備氮摻雜石墨烯；5. 2將制備好的氮摻雜石墨烯分散到溶劑中，通過超聲和攪拌形成均勻穩(wěn)定的分散液； 所述溶劑為水、乙醇、異丙醇、正丁醇中的一種或二種任意比例的混合物；5.3將基底預熱至45 90°C，然后將分散液通過提拉、旋涂、滴涂、噴涂或印刷的方法均勻固化到基底表面，并在真空條件下干燥0. 5 2小時，干燥溫度為50 300°C，制得染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極。
6.根據(jù)權利要求5所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的制備方法，其特征在于，步驟5. 1中，所述水熱法制備氮摻雜石墨烯的具體步驟為6. 1將30 80mg氧化石墨烯分散到IOOmL去離子水中，超聲分散0. 5 1小時，加入氨水1 anl，調(diào)節(jié)溶液pH = 10 11 ；6. 2將上述溶液放入襯有聚四氟乙烯的水熱釜中，在100 200°C下，水熱反應8 M 小時；6.3自然冷卻到室溫后，過濾水熱釜中的反應液，并用去離子水和乙醇多次沖洗濾出的產(chǎn)物，然后在50°C真空下干燥，制得氮摻雜石墨烯。
7.根據(jù)權利要求5所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的制備方法，其特征在于步驟5. 2中，所述分散液中氮摻雜石墨烯的濃度為0. 1-1. 5mg/mL。
8.根據(jù)權利要求5所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的制備方法，其特征在于步驟5. 2中，所述分散液中氮摻雜石墨烯的濃度為0. 3-1. ang/mL。
9.根據(jù)權利要求5所述的染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極的制備方法，其特征在于步驟5. 3中，所述干燥溫度為80 200°C。
全文摘要
一種染料敏化太陽能電池氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法，屬于太陽能電池技術領域，具體涉及一種應用于染料敏化太陽能電池中的氮摻雜石墨烯對電極及其制備方法。包括基底，其特征在于通過提拉、旋涂、滴涂、噴涂或印刷等方法在所述基底表面上均勻固化有多層氮摻雜石墨烯膜。采用氮摻雜石墨烯作為原料制備對電極，一方面利用石墨烯比表面積大，電導率高、穩(wěn)定性好、強度大等優(yōu)點，另一方面由于氮摻雜石墨烯中，氮原子以不同的形式代替晶格中的碳，在摻雜石墨烯中形成較多的缺陷點，因此可以大大提高對電極的電催化活性，改善所制備對電極的性能，應用于染料敏化太陽能電池中，光電轉(zhuǎn)換效率超過6.5％。
文檔編號H01L51/44GK102543469SQ20121000753
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優(yōu)先權日2012年1月11日
發(fā)明者王桂強, 禚淑萍 申請人:山東理工大學