一種染料敏化乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜電極的制備方法技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明涉及太陽(yáng)能電池技術(shù)領(lǐng)域，更具體的講是一種染料敏化乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜電極的制備方法。

背景技術(shù)：
典型的染料敏化太陽(yáng)能電池由制備在FTO(SnO2:F)導(dǎo)電玻璃上吸附染料的TiO2多孔薄膜(工作電極)、Pt對(duì)電極和I-/I3-電解質(zhì)組成。TiO2多孔薄膜一方面吸附染料，另一方面將吸附染料釋放的光電子運(yùn)輸?shù)酵怆娐?。因此，如何?yōu)化TiO2多孔薄膜并提高染料敏化太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率已作為科研工作者的研究重點(diǎn)之一。有研究顯示，將具有良好導(dǎo)電性能的材料摻入提高了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。Kang等將比面積大、孔隙率高的碳粉摻入TiO2制備的碳-TiO2復(fù)合電極，電池光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)5.6％。碳粉的摻入不僅降低了載流子的復(fù)合，而且提高了薄膜的機(jī)械強(qiáng)度。Yen等制備了碳納米管-TiO2復(fù)合電極，有效的改善了電池的物理化學(xué)性質(zhì)并提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率。Tsai等制備的石墨烯含量為1wt％的石墨烯-TiO2復(fù)合電極，電池的光電轉(zhuǎn)換效率較未摻雜電極提高了15％。研究結(jié)果顯示：石墨烯-TiO2復(fù)合電極不僅降低了載流子復(fù)合，而且增加了電極對(duì)染料的吸附量，增大了工作電極電流。由于碳納米管和石墨烯容易發(fā)生團(tuán)聚和分散性較差的特殊性質(zhì)，至今也未在染料敏化太陽(yáng)能電池中得到商業(yè)化應(yīng)用。乙炔黑是一種常見(jiàn)的顆粒狀碳材料，具有較好的導(dǎo)電性，價(jià)格低廉、容易分散，早已被廣泛用作鋰離子電池、電化學(xué)電容器等的導(dǎo)電劑。但并沒(méi)有在TiO2復(fù)合多孔薄膜電極中進(jìn)行導(dǎo)電性應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處提供一種以TiO2粉體制備摻雜乙炔黑的TiO2納米漿料，采用旋涂法制備乙炔黑-復(fù)合多孔薄膜，研究了乙炔黑摻雜對(duì)敏化納米TiO2多孔薄膜的光電性能的影響，并提供了兩種不同染料對(duì)其光電性能的影響。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種染料敏化乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜電極的制備方法，包括如下步驟：乙炔黑預(yù)處理、TiO2預(yù)處理、乙炔黑-TiO2漿料制備、FTO基體制備、乙炔黑-TiO2薄膜制備、染料敏化多孔薄膜電極制備。上述乙炔黑預(yù)處理的具體步驟為：將乙炔黑置于蒸餾水中，再加入碳納米管分散劑(TNWDIS)超聲處理；超聲結(jié)束后再將PEG20000加入，在磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢璧萌芤篈，所述乙炔黑、碳納米管分散劑、PEG20000的質(zhì)量比為1：2-5：50-400。上述TiO2預(yù)處理的具體步驟為：將TiO2、乙酰丙酮加入蒸餾水中，攪拌，然后向其滴加OP乳化劑，繼續(xù)攪拌得溶液B，所述TiO2、乙酰丙酮、OP乳化劑的質(zhì)量比為：1:0.05-0.08:0.02-0.05。上述乙炔黑預(yù)處理步驟與TiO2預(yù)處理步驟中，乙炔黑的用量為T(mén)iO2用量的0.05-0.5wt％。上述乙炔黑-TiO2漿料制備的具體步驟為：將溶液A和溶液B混合攪拌既得乙炔黑-TiO2漿料。上述FTO基體的制備包括如下步驟：將FTO導(dǎo)電玻璃切割成方塊，置于丙酮中超聲處理，分別用蒸餾水沖洗干凈、吹干，將FTO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電面的三個(gè)邊進(jìn)行封邊。上述染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜電極制備的具體步驟為：采用旋涂法在FTO電極上制備一層TiO2致密薄膜，再將乙炔黑-TiO2漿料滴加到致密薄膜上，旋轉(zhuǎn)使TiO2漿料在導(dǎo)電玻璃上平鋪，然后再提高轉(zhuǎn)速繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，得乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜，去掉膠帶，將其干燥、燒結(jié)，冷卻，并浸入染料溶液，避光敏化得染料敏化多孔薄膜電極(工作電極)。上述染料為N719釕染料或桑葚色素。碳對(duì)電極制備的具體步驟為：先將FTO電極浸入HF溶液，對(duì)導(dǎo)電面進(jìn)行腐蝕，再用碳棒在其腐蝕面涂抹，去掉膠帶，制得碳對(duì)電極。上述的一種染料敏化乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜電極的制備方法，其具體步驟為：乙炔黑預(yù)處理：乙炔黑置于10ml蒸餾水中，再加入乙炔黑用量3倍的碳納米管分散劑，超聲4.5小時(shí)；超聲結(jié)束后再將0.5g的PEG20000加入，在磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢璧萌芤篈；TiO2預(yù)處理：將2.5gTiO2，0.15ml乙酰丙酮分別加入8ml蒸餾水中，在磁力攪拌器上攪拌2小時(shí)，然后向其滴加0.1mlOP乳化劑，繼續(xù)攪拌2小時(shí)得溶液B；乙炔黑-TiO2漿料制備：將溶液A倒入溶液B中，攪拌2小時(shí)，即得乙炔黑-TiO2漿料；FTO基體制備：將FTO導(dǎo)電玻璃切割成2cm×2.5cm大小的方塊，置于丙酮中超聲20分鐘，用蒸餾水沖洗干凈、吹干，用3M思高膠帶將FTO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電面的三個(gè)邊分別蓋住5mm、5mm和5mm，使電極的有效面積為2cm×1cm；染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜電極制備：采用旋涂法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備一層TiO2致密薄膜，將乙炔黑-TiO2漿料滴加到致密薄膜上，先以1700r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)15s，以使TiO2漿料在導(dǎo)電玻璃上平鋪開(kāi)來(lái)，再以5000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30s，得乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜，去掉膠帶，將復(fù)合多孔薄膜于100℃干燥30min，升溫至450℃燒結(jié)30min，卻至80℃，浸入染料溶液，避光敏化24h即得敏化的多孔薄膜電極(工作電極)。碳對(duì)電極制備：FTO導(dǎo)電玻璃浸入1mol/L的HF溶液，對(duì)導(dǎo)電面進(jìn)行腐蝕，再用碳棒在其腐蝕面涂抹，去掉膠帶，制得碳對(duì)電極。本發(fā)明的有益效果是：乙炔黑的適當(dāng)摻入有利于提高多孔薄膜電極運(yùn)輸光電子的速度，降低光電子與I3-和D+的復(fù)合幾率，改善了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能，染料為N719釕染料或桑葚色素時(shí)，乙炔黑的摻入均提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低了光電子轉(zhuǎn)移電阻，染料為N719釕染料時(shí)，乙炔黑摻入量為0.2wt％時(shí)，電池獲得最高光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.5a％；染料為MBY時(shí)，乙炔黑摻入量為0.15wt％時(shí)，電池獲得最高光電轉(zhuǎn)換效率9.4a％。具體實(shí)施方式下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明，以便本領(lǐng)域技術(shù)人員可以更好的了解本發(fā)明，但并不因此限制本發(fā)明。實(shí)施例1乙炔黑預(yù)處理：0.00125g乙炔黑置于10ml蒸餾水中，再加入乙炔黑用量3倍的碳納米管分散劑，超聲4.5小時(shí)；超聲結(jié)束后再將0.5g的PEG20000加入，在磁力攪拌器上充分?jǐn)嚢璧萌芤篈；TiO2預(yù)處理：將2.5gTiO2，0.15ml乙酰丙酮分別加入8ml蒸餾水中，在磁力攪拌器上攪拌2小時(shí)，然后向其滴加0.1mlOP乳化劑，繼續(xù)攪拌2小時(shí)得溶液B；乙炔黑-TiO2漿料制備：將溶液A倒入溶液B中，攪拌2小時(shí)，即得乙炔黑-TiO2漿料；FTO電極制備：將FTO導(dǎo)電玻璃切割成2cm×2.5cm大小的方塊，置于丙酮中超聲20分鐘，用蒸餾水沖洗干凈、吹干，用3M思高膠帶將FTO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電面的三個(gè)邊分別蓋住5mm、5mm和5mm，使電極的有效面積為2cm×1cm；染料敏化乙炔黑-TiO2薄膜電極的制備：采用旋涂法在FTO導(dǎo)電玻璃上制備一層TiO2致密薄膜，將乙炔黑-TiO2漿料滴加到致密薄膜上，先以1700r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)15s，以使TiO2漿料在導(dǎo)電玻璃上平鋪開(kāi)來(lái)，再以5000r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)30s，得乙炔黑-TiO2復(fù)合多孔薄膜，去掉膠帶，將復(fù)合多孔薄膜于100℃干燥30min，升溫至450℃燒結(jié)30min，冷卻至80℃，浸入5×10-4mol/L的N719釕染料的乙醇溶液，避光敏化24h即得敏化的多孔薄膜電極(工作電極)。碳對(duì)電極制備：FTO導(dǎo)電玻璃浸入1mol/L的HF溶液，對(duì)導(dǎo)電面進(jìn)行腐蝕，再用碳棒在其腐蝕面涂抹，去掉膠帶，制得碳對(duì)電極。實(shí)施例2其制備方法同實(shí)施例1，其不同點(diǎn)為，乙炔黑的用量為0.0025g。實(shí)施例3其制備方法同實(shí)施例1，其不同點(diǎn)為，乙炔黑的用量為0.00375g。實(shí)施例4其制備方法同實(shí)施例1，其不同點(diǎn)為，乙炔黑的用量為0.005g。實(shí)施例5其制備方法同實(shí)施例1，其不同點(diǎn)為，乙炔黑的用量為0.01g。實(shí)施例6其制備方法同實(shí)施例1，其不同點(diǎn)為，染料采用桑葚色素。實(shí)施例7其制備方法同實(shí)施例2，其不同點(diǎn)為，染料采用桑葚色素。實(shí)施例8其制備方法同實(shí)施例3，其不同點(diǎn)為，染料采用桑葚色素。實(shí)施例9其制備方法同實(shí)施例4，其不同點(diǎn)為，染料采用桑葚色素。實(shí)施例10其制備方法同實(shí)施例5，其不同點(diǎn)為，染料采用桑葚色素。對(duì)實(shí)施例1-10制備的敏化的TiO2多孔薄膜電極放在干凈的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，將碳對(duì)電極朝下放在著色面上，兩部分微微錯(cuò)開(kāi)，留出約5mm寬的導(dǎo)電部分留作測(cè)試用。用兩個(gè)長(zhǎng)尾票夾將電池夾住兩電極，用膠頭滴管將電解質(zhì)從一側(cè)滴入。在毛細(xì)管原理的作用下，電解質(zhì)很快擴(kuò)散滿電極。染料敏化太陽(yáng)能電池組裝完成，測(cè)試其各項(xiàng)性能。測(cè)試組裝好的染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能，以日光燈作為光源，通過(guò)電化學(xué)分析儀測(cè)試電池的I-V曲線和電化學(xué)阻抗譜。I-V特性實(shí)驗(yàn)乙炔黑摻雜量為由實(shí)施例1-5以及實(shí)施例6-10分別為0.05％、0.1％、0.15％、0.2％和0.4％，其染料敏化太陽(yáng)能電池的I-V曲線如表1和表2所示。ISC為短路電流，數(shù)值越大越好。染料敏化太陽(yáng)能電池理論光電轉(zhuǎn)換效率值為36％，實(shí)驗(yàn)值越接近理論值越好。表1基于N719釕染料乙炔黑-TiO2復(fù)合電極I-V特性電極乙炔黑(wt％)ISC(mA/cm2)VOC(V)η(％)實(shí)施例10.050.3340.64910.9a實(shí)施例20.10.2990.62911.2a實(shí)施例30.150.2940.64811.6a實(shí)施例40.20.3270.59512.5a實(shí)施例50.40.2600.70710.7a表2基于桑葚色素乙炔黑-TiO2復(fù)合電極I-V特性電極乙炔黑(wt％)ISC(mA/cm2)VOC(V)η(％)實(shí)施例60.050.1580.5587.4a實(shí)施例70.10.1990.5928.0a實(shí)施例80.150.2270.6339.4a實(shí)施例90.20.1950.5928.3a實(shí)施例100.40.1990.5717.1a電化學(xué)阻抗分析為研究光單子在電池界面的反應(yīng)，在光照、電池開(kāi)路狀態(tài)下測(cè)量電池的電化學(xué)阻抗譜。乙炔黑-TiO2復(fù)合電極與N719釕染料和桑葚色素組裝的染料敏化太陽(yáng)能電池的電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)如表3所示。從表3可以看出，乙炔黑的摻雜量分別為0.2％、0.15％時(shí)，電池光電子轉(zhuǎn)移電阻最小，光電轉(zhuǎn)換效率最高，與表1、表2數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。表3電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)電極電阻(Ω)電極電阻(Ω)實(shí)施例1210實(shí)施例6175實(shí)施例2170實(shí)施例7160實(shí)施例3150實(shí)施例8130實(shí)施例4160實(shí)施例9100實(shí)施例5272實(shí)施例10170乙炔黑的適當(dāng)摻入有利于提高多孔薄膜電極運(yùn)輸光電子的速度，降低光電子與I3-和D+的復(fù)合幾率，改善了染料敏化太陽(yáng)能電池的光電性能。由上面的分析我們知道，染料為N719釕染料或天然桑葚色素時(shí)，乙炔黑的摻入均提高了電池的光電轉(zhuǎn)換效率，降低了光電子轉(zhuǎn)移電阻。染料為N719釕染料，乙炔黑摻入量為0.2wt％時(shí)，電池獲得光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)12.5a％；染料為桑葚色素，乙炔黑摻入量為0.15wt％時(shí)，電池獲得最高光電轉(zhuǎn)換效率9.4a％。因此，乙炔黑的摻入可以改善電池的光電性能，但最佳摻入量要根據(jù)組裝電池所使用的電極、染料、電解質(zhì)和對(duì)電極具體確定。