本發(fā)明屬于太陽能電池技術(shù)領域，具體涉及一種全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池及其制備方法和應用。

背景技術(shù)：

隨著科技的不斷發(fā)展與壯大，太陽能電池的地位日益顯赫，但因傳統(tǒng)太陽能電池使用條件的局限性，即只能滿足晴天且光照充足時使用，因此尋找一種新型、高效且能適應全天候的太陽能電池成為目前亟待解決的難題。針對這一難題，導電聚合物、導電聚合物/石墨烯、導電聚合物/石墨烯/合金彌補了現(xiàn)狀的不足，它能夠較好地吸附雨水中的陽離子，并與其復合的染料敏化太陽能電池成功克服了雨天無法發(fā)電的難題。因此，研發(fā)全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池具有十分重要的理論和應用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對傳統(tǒng)太陽能電池使用條件的局限性，提供了一種全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池及其制備方法和應用。本發(fā)明首先制備導電聚合物、導電聚合物/石墨烯或?qū)щ娋酆衔?石墨烯/合金電極，將其與二氧化鈦光陽極復合最終得到全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。本發(fā)明充分利用導電聚合物制備簡便、良好吸附性以及價格低廉等優(yōu)點，提供了全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。

為達到上述發(fā)明的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案并予以實現(xiàn)：

一種全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池的制備方法，所述制備方法包含以下步驟：

(1) 配制濃度為0.1～1mol/L的酸溶液；

(2) 采用所述酸溶液溶解導電聚合物單體或?qū)щ娋酆衔飭误w/石墨烯，混合配制成均勻的反應溶液；

(3) 將所述反應溶液置于冰箱中冷藏；

(4) 采用兩面均為FTO的導電玻璃作為基體，采用電化學方法使用所述導電聚合物單體或所述導電聚合物單體/石墨烯在導電玻璃基體的兩側(cè)沉積，獲得沉積均勻的該聚合物或聚合物/石墨烯；

或者配制成均勻的合金反應溶液，先將FTO導電玻璃放入所述聚合物單體/石墨烯中沉積，再取出導電玻璃放入所述合金反應溶液中沉積，獲得沉積均勻的聚合物/石墨烯/合金；

然后將獲得的該聚合物、聚合物/石墨烯或聚合物/石墨烯/合金進行水洗、干燥，最終得到干燥的導電聚合物電極、導電聚合物/石墨烯電極或?qū)щ娋酆衔?石墨烯/合金電極；

(5) 制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，經(jīng)過煅燒制備多孔二氧化鈦薄膜；

(6) 將步驟(5)制備的二氧化鈦薄膜浸入染料中形成染料敏化二氧化鈦光陽極；

(7) 所述步驟(6)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極分別與所述步驟(4)制備的導電聚合物電極、導電聚合物/石墨烯電極或?qū)щ娋酆衔?石墨烯/合金電極組合，并向中間注入液體電解質(zhì)，組裝成全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。

進一步的：所述步驟(2)中導電聚合物單體或?qū)щ娋酆衔飭误w/石墨烯：所述酸溶液的摩爾比=0.1～1.0 : 0.5～1.5。

進一步的：所述步驟(2)中導電聚合物單體/石墨烯的制備方法為：按照質(zhì)量比為石墨烯：導電聚合物單體=1～10:1000，回流3～6h，得到均勻的溶液。

進一步的：所述步驟(4)中按照摩爾比為氯鉑酸：硫酸鈉：硫酸鈷=1:10:1～9，配制成均勻的合金反應溶液。

進一步的：所述步驟(1)中的酸溶液為鹽酸、硫酸、硝酸、高氯酸、磷酸中的一種或幾種。

進一步的：所述步驟(2)中導電聚合物單體為苯胺、吡咯、噻吩中一種或幾種。

進一步的：所述步驟(4)中采用的電化學沉積方法為循環(huán)伏安法、恒壓法或恒流法。

本發(fā)明還提供了所述的制備方法制得的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。

本發(fā)明還提供了所述的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池在光照條件下發(fā)電的應用，所述染料敏化太陽能電池的開路電壓為650～800 mV、短路電流為8～18mA·cm^-2、填充因子為0.5～0.8、光電轉(zhuǎn)換效率為5.0～11.0%。

本發(fā)明還提供了所述的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池在下雨條件下發(fā)電的應用，所述染料敏化太陽能電池的電流為0.3～5.5μA/滴、電壓為30～250μV/滴、功率為15～650pW/滴。

本發(fā)明采用上述技術(shù)方案后，主要具備以下優(yōu)點：

(1) 制備簡單；全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中導電聚合物、導電聚合物/石墨烯、導電聚合物/石墨烯/合金采用電化學方法制備，操作簡便易行。

(2) 應用廣泛；全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池實現(xiàn)了對雨水中陽離子的較好吸附，實現(xiàn)了晴、雨天都能夠發(fā)電的優(yōu)勢。

(3) 成本低廉；全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池所用的實驗藥品價格低廉，能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

綜上所述，本發(fā)明所采用的制備方法簡便易行、應用廣泛、成本低廉，采用本發(fā)明制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池具有良好吸附性、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，實現(xiàn)了晴、雨天皆可發(fā)電的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺的電流圖。

圖3為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺的電壓圖。

圖4為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺的功率圖。

圖5為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯的電流圖。

圖6為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯的電壓圖。

圖7為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯的功率圖。

圖8為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金的電流圖。

圖9為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金的電壓圖。

圖10為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金的功率圖。

圖11為導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電流圖。

圖12為導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電壓圖。

圖13為導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的功率圖。

圖14為導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電流圖。

圖15為導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電壓圖。

圖16為導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的功率圖。

圖17為導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電流圖。

圖18為導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電壓圖。

圖19為導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的功率圖。

具體操作方式

結(jié)合具體的實施計劃，以下對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細闡述。

實施例1

本實施例以鹽酸摻雜、電沉積形成導電聚苯胺為例進行說明，本實施例中全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池的制備方法包括以下步驟：

(1) 稱取12.882mL的鹽酸溶液(鹽酸溶液的質(zhì)量分數(shù)為36%)；

(2) 稱取9.108mL的苯胺單體，采用步驟(1)中的所述鹽酸溶液溶解(二者的摩爾比為苯胺單體：鹽酸=1.0：1.5)，置于200mL容量瓶中定容；

(3) 將步驟(2)配制的反應溶液置于冰箱中冷藏片刻；

(4)采用兩面均為FTO的導電玻璃作為基體，采用電化學方法使用所述導電聚合物單體在導電玻璃基體的兩側(cè)沉積，獲得沉積均勻的導電聚苯胺，然后將該聚苯胺水洗、干燥，最終得到干燥的導電聚苯胺電極；

(5) 制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，控制膜厚為5～15 μm，經(jīng)過450°C煅燒制備多孔二氧化鈦薄膜；

(6) 將步驟(5)制備的二氧化鈦薄膜浸入0.2～0.5 mmol/L的染料中形成染料敏化二氧化鈦光陽極；

(7) 將步驟(4)制備的導電聚苯胺電極和步驟(6)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極組合，并向中間注入液體電解質(zhì)，組裝成全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。

圖2為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺的電流圖。如圖2所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖2中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺電流信號最強。

圖3為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺的電壓圖。如圖3所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖3中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺電壓信號最強。

圖4為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺的功率圖。如圖4所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖4中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺功率信號最強。

由此說明，電化學方法沉積形成的導電聚苯胺中，循環(huán)伏安法沉積產(chǎn)生的電信號效果最佳。

實施例2：

本實施例以鹽酸摻雜、電沉積形成導電聚苯胺/石墨烯為例進行說明，本實施例中全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池的制備方法包括以下步驟：

(1) 配制濃度為1 mol/L的HCl溶液；

(2) 稱取1.48mL的苯胺單體/石墨烯（按質(zhì)量比為石墨烯：苯胺單體=6:1000），加入50mL步驟(1)中的所述HCl溶液，并置于50mL容量瓶中定容；

(3) 將步驟(2)配制的反應溶液置于冰箱中冷藏片刻；

(4)采用兩面均為FTO的導電玻璃作為基體，采用電化學方法使用所述導電聚合物單體/石墨烯在導電玻璃基體的兩側(cè)沉積，獲得沉積均勻的導電聚苯胺/石墨烯，然后將該聚苯胺/石墨烯水洗、干燥，最終得到干燥的電極；

(5) 制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，控制膜厚為5～15 μm，經(jīng)過450°C煅燒制備多孔二氧化鈦薄膜；

(6) 將步驟(5)制備的二氧化鈦薄膜浸入0.2～0.5 mmol/L的染料中形成染料敏化二氧化鈦光陽極；

(7) 將步驟(4)制備的聚苯胺/石墨烯電極和步驟(6)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極組合，并向中間注入液體電解質(zhì)，組裝成全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。

圖5為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯的電流圖。如圖5所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖5中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺/石墨烯電流信號最強。

圖6為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯的電壓圖。如圖6所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖6中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺/石墨烯電壓信號最強。

圖7為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯的功率圖。如圖7所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖7中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺/石墨烯功率信號最強。

由此說明，電化學方法沉積形成的導電聚苯胺/石墨烯中，循環(huán)伏安法沉積產(chǎn)生的電信號效果最佳。

實施例3：

本實施例以鹽酸摻雜、電沉積形成導電聚苯胺/石墨烯/合金為例進行說明，本實施例中全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池的制備方法包括以下步驟：

(1) 配制濃度為1 mol/L的HCl溶液；

(2) 稱取1.48mL的苯胺單體/石墨烯（按質(zhì)量比為石墨烯：苯胺單體=6:1000），加入50mL步驟(1)中的所述HCl溶液，并置于50mL容量瓶中定容；

(3) 將步驟(2)配制的聚苯胺單體/石墨烯溶液置于冰箱中冷藏片刻；

(4) 按照摩爾比為氯鉑酸：硫酸鈉：硫酸鈷=1:10:7，稱取2.63mL的氯鉑酸、0.1402g的硫酸鈉、0.1960g的硫酸鈷，配制成100mL的合金反應溶液；

采用兩面均為FTO的導電玻璃作為基體，采用電化學方法先將所述導電玻璃放入所述聚合物單體/石墨烯溶液中沉積后，再取出導電玻璃放入所述合金反應溶液中沉積，獲得沉積均勻的導電聚苯胺/石墨烯/合金，然后將該聚苯胺/石墨烯/合金水洗、干燥，最終得到干燥的聚苯胺/石墨烯/合金電極；

(5) 制備二氧化鈦膠體，將二氧化鈦膠體涂于FTO導電玻璃基體上，控制膜厚為5～15 μm，經(jīng)過450°C煅燒制備多孔二氧化鈦薄膜；

(6) 將步驟(5)制備的二氧化鈦薄膜浸入0.2～0.5 mmol/L的染料中形成染料敏化二氧化鈦光陽極；

(7) 將步驟(4)制備的聚苯胺/石墨烯/合金電極和步驟(6)制備的染料敏化二氧化鈦光陽極組合，并向中間注入液體電解質(zhì)，組裝成全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池。

圖8為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金的電流圖。如圖8所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖8中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺/石墨烯/合金電流信號最強。

圖9為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金的電壓圖。如圖9所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖9中采用循環(huán)伏安法電沉積的形成聚苯胺/石墨烯/合金電壓信號最強。

圖10為通過不同電化學方法沉積形成的導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金的功率圖。如圖10所示，本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過分析測試結(jié)果看出，圖10中采用循環(huán)伏安法電沉積形成的聚苯胺/石墨烯/合金功率信號最強。

由此說明，電化學方法沉積形成的導電聚苯胺/石墨烯/合金中，循環(huán)伏安法沉積產(chǎn)生的電信號效果最佳。

實施例4、能在雨天發(fā)電的導電聚合物染料敏化太陽能電池的測試

由本發(fā)明制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池在光照條件下發(fā)電產(chǎn)生的開路電壓為650～800 mV、短路電流為8～18mA·cm-2、填充因子為0.5～0.8、光電轉(zhuǎn)換效率為5.0～11.0%。

由本發(fā)明制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池在下雨條件下發(fā)電產(chǎn)生的電流為0.3～5.5μA/滴、電壓為30～250μV/滴、功率為15～650pW/滴。

圖1為本發(fā)明所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖。由此示意圖得知：晴天條件下，染料敏化太陽能電池一側(cè)受光激發(fā)發(fā)電；雨天條件下，由于雨水中富含鈉、鉀、鎂等陽離子，本發(fā)明采用模擬雨水，當模擬雨水的雨滴滴落至導電聚合物、導電聚合物/石墨烯、導電聚合物/石墨烯/合金的表面時，導電聚合物、導電聚合物/石墨烯、導電聚合物/石墨烯/合金通過吸附模擬雨水中的陽離子，利用陽離子的遷移實現(xiàn)導電聚合物、導電聚合物/石墨烯、導電聚合物/石墨烯/合金中的電子在其表面的定向移動，從而產(chǎn)生相應的電流和電壓。

圖11為導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電流圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖11中聚苯胺的電流信號隨溶液濃度的增大而增強。

圖12為導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電壓圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖12中聚苯胺的電壓信號隨溶液濃度的增大而增強。

圖13為導電聚合物所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的功率圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖13中聚苯胺的功率信號隨溶液濃度的增大而增強。

由此說明，溶液的濃度越大，導電聚苯胺中可吸附的離子越多，對應產(chǎn)生的電信號就越明顯。

圖14為導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電流圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖14中聚苯胺/石墨烯的電流信號隨溶液濃度的增大而增強。

圖15為導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電壓圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖15中聚苯胺/石墨烯的電壓信號隨溶液濃度的增大而增強。

圖16為導電聚合物/石墨烯所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的功率圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖16中聚苯胺/石墨烯的功率信號隨溶液濃度的增大而增強。

由此說明，溶液的濃度越大，導電聚苯胺/石墨烯中可吸附的離子越多，對應產(chǎn)生的電信號就越明顯。

圖17為導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電流圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖17中聚苯胺/石墨烯/合金的電流信號隨溶液濃度的增大而增強。

圖18為導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的電壓圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖18中聚苯胺/石墨烯/合金的電壓信號隨溶液濃度的增大而增強。

圖19為導電聚合物/石墨烯/合金所制備的全天候發(fā)電的染料敏化太陽能電池中聚苯胺/石墨烯/合金在不同濃度的模擬雨水下產(chǎn)生的功率圖。本發(fā)明利用CHI660E電化學工作站進行試驗測試。通過測試結(jié)果可以看出，圖19中聚苯胺/石墨烯/合金的功率信號隨溶液濃度的增大而增強。

由此說明，溶液的濃度越大，導電聚苯胺/石墨烯/合金中可吸附的離子越多，對應產(chǎn)生的電信號就越明顯。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其進行限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的普通技術(shù)人員來說，依然可以對前述實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明所要求保護的技術(shù)方案的精神和范圍。