本發(fā)明涉及一種多孔碳對電極，具體涉及一種全印刷鈣鈦礦太陽能電池用高滲透性多孔碳對電極的制法。

背景技術：

太陽能電池發(fā)展日新月異。2009年miyasaka課題組首次將鈣鈦礦材料(ch3nh3pbi3)選作敏化劑并應用于太陽能電池，并獲得3.8％的光電轉(zhuǎn)換效率。隨著研究人員不斷開發(fā)新的材料以及優(yōu)化制備工藝，電池效率不斷刷新且穩(wěn)定性進一步提升，截止到目前pscs最高光電轉(zhuǎn)換效率已突破22％。該電池器件選用的依舊為常規(guī)結構(c-tio2/m-tio2/ch3nh3pbi3/spiro-ometad/au)，基于此結構的pscs雖然有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，卻并不適用于商業(yè)化應用。其中一個主要因素便是該類電池結構中使用的對電極由貴金屬制備，成本較高。碳材料在大自然中存在廣泛，且已被大量應用于社會生活中。與金屬材料相比較，碳材料(碳納米管、活性炭、炭黑、富勒烯、石墨、石墨烯等)具有很多特殊的優(yōu)異性能。碳對電極已經(jīng)應用染料敏化太陽能電池中并獲得較好的性能。2013年，han課題組在開發(fā)的可印刷pscs中首次引入碳對電極，并獲得6.64％的光電轉(zhuǎn)換效率。

在目前的可印刷pscs制備中，碳對電極是通過印刷由石墨、炭黑、氧化鋯、乙基纖維素組成的漿料獲得，所得的電極為多孔結構，且較為致密。在隨后的器件制備階段，ch3nh3pbi3前驅(qū)體溶液以滴涂的方式加入，為獲得較高的器件性能，ch3nh3pbi3前驅(qū)液應完全滲透過碳電極，并充分填充下面的tio2層。但目前常規(guī)方法制備的碳對電極，對ch3nh3pbi3的滲透過程仍有較大阻礙。為解決上述問題，有學者提出使用有序介孔碳作為碳對電極，從而提高ch3nh3pbi3的滲透性。然而，此方法存在制備過程復雜、孔道尺寸較小等缺陷。本專利在不改變傳統(tǒng)碳漿料的前提下，加入直徑可變化的ps球，以達到制備出多孔且孔道尺寸易控制的碳對電極。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種簡單有效的，制備多孔碳對電極的方法，具體為一種全印刷鈣鈦礦太陽能電池用高滲透性多孔碳對電極的制法。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種全印刷鈣鈦礦太陽能電池用高滲透性多孔碳對電極的制法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)碳漿料的制備

將石墨、氧化鋯、炭黑和聚苯乙烯球混合后，加入無水乙醇，通過磁力攪拌、超聲分散使?jié){料充分分散均勻，上述步驟重復三次；然后將上述溶液進行離心獲得沉淀物，隨后將沉淀物重新溶于無水乙醇，分別加入松油醇、乙基纖維素/乙醇溶液并重復磁力攪拌和超聲分散步驟；最后將上述漿料球磨10h后蒸除乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料；

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層；

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行高溫退火后，得到多孔碳對電極。

步驟(1)中聚苯乙烯球的平均直徑為0.1～8μm。

步驟(1)中保持石墨、氧化鋯、炭黑和聚苯乙烯總質(zhì)量為5.6g，石墨、氧化鋯、炭黑的質(zhì)量比為4:0.6:1，聚苯乙烯球的質(zhì)量分數(shù)為0.1％～30％。優(yōu)選聚苯乙烯球的質(zhì)量分數(shù)為10％。

步驟(1)中離心速率為4500rpm、時間5min。

步驟(1)中添加的松油醇質(zhì)量為8.21g。

步驟(1)中乙基纖維素/乙醇溶液中乙基纖維素的質(zhì)量分數(shù)為10％。

步驟(1)中旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)為45℃，3小時。

步驟(3)中碳層的退火溫度為400～500℃，保溫1小時。

為了保證ch3nh3pbi3前驅(qū)體溶液能夠順利進入tio2層，本發(fā)明選用聚苯乙烯球作為造孔劑添加到碳漿料中制備多孔碳對電極。在常溫下，聚苯乙烯的性質(zhì)較為穩(wěn)定，密度約為0.02～0.04g/cm³,其熔點為70～115℃，分解溫度為70～350℃，且在高溫下，聚苯乙烯球分解后，基本沒有殘留物。相比于介孔碳制備過程的復雜，該方法中聚苯乙烯球制備方法簡單且易于操作。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和有益效果：

本發(fā)明方法操作簡單，節(jié)約成本，以聚苯乙烯球為造孔劑，將其添加到碳漿料中，印刷成膜后高溫退火，聚苯乙烯球高溫分解在碳對電極中形成孔洞結構。本方法制備的多孔碳可作為無空穴傳輸層可印刷鈣鈦礦太陽能電池的碳對電極，其為ch3nh3pbi3提供向下滲透的通道，增加ch3nh3pbi3在介孔層中的填充率，提升電池效率的同時減少電池效率的離散性。

附圖說明

圖1為實施例1中多孔碳對電極用于電池器件時的制備流程示意圖。

圖2為實施例1中多孔碳對電極煅燒前后的表面掃描電鏡圖。

圖3為實施例1中多孔碳對電極煅燒前后的截面掃描電鏡圖。

圖4為實施例1中多孔碳對電極組裝器件后電池的j-v曲線。

圖5為實施例1中多孔碳對電極組裝器件后電池效率的離散性圖。

圖6為不同聚苯乙烯球摻雜量制備多孔碳對電極組裝器件后j-v曲線圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發(fā)明作進一步描述，這些實施例只是用于說明本發(fā)明，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。

實施例1

(1)碳漿料的制備

首先分別稱取一定量的3.6g石墨、0.54g氧化鋯、0.90g炭黑和0.56g聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入60ml無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；其次將上述溶液進行離心獲得沉淀物。隨后將沉淀物重新溶于無水乙醇，分別加入松油醇、乙基纖維素/乙醇溶液并重復磁力攪拌和超聲分散步驟；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行400℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例2

(1)碳漿料的制備

首先分別稱取一定量的4g石墨、0.6g氧化鋯、1g炭黑和0g聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；其次將上述溶液進行離心獲得沉淀物。隨后將沉淀物重新溶于無水乙醇，分別加入松油醇、乙基纖維素/乙醇溶液并重復磁力攪拌和超聲分散步驟；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行400℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例3

(1)碳漿料的制備

首先分別稱取一定量的3.8g石墨、0.57g氧化鋯、0.95g炭黑和0.28g聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；其次將上述溶液進行離心獲得沉淀物。隨后將沉淀物重新溶于無水乙醇，分別加入松油醇、乙基纖維素/乙醇溶液并重復磁力攪拌和超聲分散步驟；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行400℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例4

(1)碳漿料的制備

首先分別稱取一定量的2.8g石墨、0.42g氧化鋯、0.7g炭黑和1.68g聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；其次將上述溶液進行離心獲得沉淀物。隨后將沉淀物重新溶于無水乙醇，分別加入松油醇、乙基纖維素/乙醇溶液并重復磁力攪拌和超聲分散步驟；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行400℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

以下我們給出了添加量分別0％、5％、10％和30％即實施例2、3、1和4(按文中出現(xiàn)順序)的性能對比圖，如圖6(j-v曲線圖)；另外此數(shù)據(jù)也可以用表格的形式展現(xiàn)出來，如表1所示。)

表1.不同聚苯乙烯球摻雜量制備多孔碳對電極組裝器件的平均性能參數(shù)

圖6和表1反應出添加10％ps球后，電池性能提升效果最好。

實施例5

(1)碳漿料的制備

首先分別量取10ml的已制備好的原始碳漿料(其中石墨：氧化鋯：炭黑＝1:0.15:0.25)和0ml聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行350℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例6

(1)碳漿料的制備

首先分別量取5ml的已制備好的原始碳漿料(其中石墨：氧化鋯：炭黑＝1:0.15:0.25)和5ml聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行350℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例7

(1)碳漿料的制備

首先分別量取5ml的已制備好的原始碳漿料(其中石墨：氧化鋯：炭黑＝1:0.15:0.25)和5ml聚苯乙烯球放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行500℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例8

(1)碳漿料的制備

首先分別量取5ml的已制備好的原始碳漿料(其中石墨：氧化鋯：炭黑＝1:0.15:0.25)和5ml聚苯乙烯球(0.1μm)放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行400℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。

實施例9

(1)碳漿料的制備

首先分別量取5ml的已制備好的原始碳漿料(其中石墨：氧化鋯：炭黑＝1:0.15:0.25)和5ml聚苯乙烯球(8μm)放入到燒杯中，加入無水乙醇，磁力攪拌5min、超聲分散5min，再磁力攪拌5min(步驟重復三次)；最后將上述漿料球磨10h后使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去乙醇，從而獲得實驗所需碳漿料。

(2)碳層的印刷制備

將制備好的碳漿料通過絲網(wǎng)印刷機印刷制備得到碳層。

(3)碳對電極的制備

將上述步驟制備得到的碳層放入爐中進行400℃高溫退火后，得到多孔碳對電極。