一种基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池及其制备方法和应用
【专利摘要】本发明提供了一种基于炭黑?石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池及其制备方法和应用，本发明具体是将石墨烯和炭黑的分散液与聚四氟乙烯的水基分散液混合形成的分散液均匀涂覆在FTO导电玻璃对电极的玻璃一侧；经过自然干燥、烧结，制得复合电极；再组装成染料敏化太阳能电池；并进一步组装成基于炭黑?石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池。所述全天候太阳能电池具有稳定的光电转换性能和雨天发电性能，可操作性好，制备方法简便易行、成本低廉、改进空间大，有利于大面积制备。而且由此所组装的全天候太阳能电池操作简单，性能优良，环境适应性强，为全天候太阳能电池的实际应用提供了良好的基础。
【专利说明】
一种基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池及其制备方法和应用
技术领域
[0001]本发明属于新材料技术以及新能源技术领域，具体涉及一种基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池及其制备方法和应用。
【背景技术】
[0002]染料敏化太阳能电池是二十世纪九十代开发出的一种新型电化学太阳能电池，具有成本低、制备工艺简便、稳定性好、环境友好等特点，具有良好的应用前景。但是由于其只能在太阳光充足的条件下发电，不能很好的适应天气环境的变化，这便限制了其在实际生活中的应用。因此，一种新型的，高效的且能适应不同环境的一种基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的准全天候太阳能电池发电装置便应运而生。这为太阳能电池在今后的实际应用中提供了良好的基础。
【发明内容】
[0003]针对目前染料敏化太阳能电池应用的局限性，本发明提供了一种基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池及其制备方法和应用，所述全天候太阳能电池具有高效性且能适应不同环境，而且其制备方法简单、性能稳定好、成本低，而且还可以将其制备成具有在雨天发电性能的雨水发电装置。本发明有利于促进太阳能电池的工业化生产，更有利于新能源行业的发展;而且本发明制备方法简单，所制得的发电装置适应性强，性能稳定好，成本低，操作简单的优点，因此具有重要的实用价值和经济价值。
[0004]为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案予以实现:
本发明提供了一种基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的制备方法，它包括以下步骤:
(1)将石墨烯与炭黑组成的两种粉末分散在分散剂中，并通过超声分散形成炭黑石墨稀分散液，所述两种粉末总质量与分散剂体积的质量体积比为0.01?0.03 g/mL；
(2)将聚四氟乙烯水基分散液分散到分散剂中，并通过超声分散形成体积比为聚四氟乙烯水基分散液:分散剂=1: 9000?1:818的混合分散液；
(3)将步骤(1)、(2)中的两种分散液混合，并通过超声分散至溶液底部无沉淀出现，得到均匀的炭黑、石墨烯和聚四氟乙烯的分散液；
(4 )将步骤(3 )中得到的分散液涂在FTO导电玻璃对电极的玻璃一侧，以形成负载炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的复合电极；
(5)步骤(4)中所制备的复合电极的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜自然干燥成膜，然后将复合电极置于马弗炉空气气氛下烧结，制得所需的复合电极；
(6)制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体涂于FTO导电玻璃基体上，控制膜厚为5?15μm，经煅烧制备得到多孔二氧化钛薄膜；
(7)将步骤(6)制备的二氧化钛薄膜浸入0.2?0.5mmol/L的N719染料中浸泡形成染料敏化二氧化钛光阳极；
(8)将步骤(5)制备的复合电极和步骤(7)制备的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间注入液体氧化还原电解质组装成染料敏化太阳能电池；
并在复合电极的一侧，将两根导线分别连接到所述炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的上下两端，并用乙烯醋酸乙烯共聚物热封，制得能实现雨水发电的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池。
[0005]进一步的:所述步骤(I)中两种粉末的质量比为石墨稀:炭黑=3?1:1。
[0006]进一步的:所述步骤(2)中的所述聚四氟乙烯水基分散液中聚四氟乙烯的质量比为I%?10%O
[0007]进一步的:所述步骤(5)中的马弗炉的升温速度为:由室温经过30-50分钟升至350-400摄氏度，在350-400摄氏度条件下保温30分钟。
[0008]本发明提供了步骤(I)?(5)所制备得到的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的复合电极。
[0009]本发明进一步提供了利用所述的制备方法制得的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池。
[0010]进一步的:所述全天候太阳能电池的开路电压为680?800 mV，短路电流为16?22mA.Cm—2，填充因子为0.6?0.8，光电转换效率为6.5?11.0%。
[0011]进一步的:所述全天候太阳能电池在作为雨天发电装置时，在复合导电薄膜一侧滴加0.2?2mol/L的NaCl溶液，电流范围为O?1.5μΑ/滴，电压范围为O?150μν/滴，功率范围为O?160pW/滴。
[0012]进一步的:所述全天候太阳能电池在作为雨天发电装置时，在复合导电薄膜一侧滴加氯化物盐溶液，电流范围为O?2μΑ/滴，电压范围为O?10yV/滴，功率范围为O?140pW/滴。
[0013]本发明还提供了基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池在制备发电装置的电池组件、导电涂料以及电站中的应用。
[0014]与现有技术相比，本发明的优点和技术效果是:
(I)本发明制得的全天候太阳能电池不仅可以在太阳光照天气下发电，而且也可以在雨天下发电。
[0015](2)石墨烯具有优异的导电、导热和力学性能，可作为制备高强导电复合材料的理想纳米填料，同时石墨烯的共轭结构中的离域π电子可与雨水中的阳离子吸附形成双电层电容。所述复合导电薄膜充分利用了雨水中阳离子与石墨烯中离域电子间的吸附性能以及阳离子I离域电子双电层准电容实现电信号的输出。这为炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜在下雨环境中发电提供了理论依据。而且，炭黑石墨烯在聚四氟乙烯中形成连通的导电网络，有利于电子的快速传输，为导电复合材料在下雨发电领域中的应用提供了广阔的空间。
[0016]本发明充分利用了上述优点，并进行合理的元素配比设计，组装成一种新型的且高效的全天候太阳能电池。此发电装置不仅具有良好的环境适应性和稳定性，且发电装置结构简易、可操作性好、性能优良，具有良好的市场应用前景。
【附图说明】
[0017]图1为本发明所制备的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的结构示意图。
[0018]图2是本发明所述的全天候太阳能电池的光电转换效率图。
[0019]图3是本发明在所述全天候太阳能电池的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜一侧滴加0.2?2mol/L的NaCl水溶液所产生的电流曲线(a)、电压曲线(b)和功率曲线(C)。
[0020]图4是本发明在所述全天候太阳能电池的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜一侧滴加浓度为0.6mol/L不同氯化物水溶液所产生的电流曲线(a)、电压曲线(b)和功率曲线(C)。
[0021]图5是本发明将0.6mol/L的NaCl水溶液滴于不同质量比炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜组成的全天候太阳能电池所产生的电流曲线(a)、电压曲线(b)和功率曲线
(C)。
[0022]图6是本发明将0.6mol/L的NaCl水溶液滴于炭黑石墨烯(95wt %)/聚四氟乙烯复合导电薄膜组成的全天候太阳能电池所产生的电流曲线(a)、电压曲线(b)和表面电阻的渗滤曲线(C)。
【具体实施方式】
[0023]下面结合【具体实施方式】对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
[0024]实施例1
本发明所述基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的制备方法包括以下步骤:
(I)将质量比为石墨烯:炭黑=1:1的两种粉末分散在质量分数为2%的醋酸溶液中，超声30分钟;本发明所用的分散剂可以为乙醇、二甲苯、四氢呋喃、曲拉通X-100、醋酸溶液或蒸馏水中一种或几种。
[0025](2)将聚四氟乙烯质量比为1%?10%的聚四氟乙烯水基分散液分散到体积比为醋酸:蒸馏水=1: 8溶液中，超声30分钟，以形成符合体积比为聚四氟乙烯水基分散液:醋酸溶液=1:9000?1:818的混合分散液。
[0026](3)然后将步骤(1)、(2)中的两种分散液混合，为了得到分散均匀的炭黑、石墨烯和聚四氟乙烯的分散液，保持超声一个小时。
[0027](4)将步骤(3)中得到的分散液涂在FTO导电玻璃对电极的玻璃一侧，以形成具有炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的复合电极;所述FTO导电玻璃对电极为铂、铂合金、非铂合金、化合物或导电聚合物对电极，本实施例中选用铂镍合金对电极。
[0028](5)待步骤(4)中所制备的复合电极上的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜自然干燥成膜，然后将复合电极置于马弗炉空气气氛下烧结30分钟，以制备所需的复合电极；在马弗炉空气气氛下升温速度为:由室温经过30分钟升至350摄氏度，在350摄氏度条件下保温30分钟ο
[0029](6)以钛酸四正丁脂为原料，通过溶胶-水热法制备的二氧化钛胶体，将所制的二氧化钛胶体涂于FTO导电玻璃基体上，控制膜厚为5?15 pm，经450°C煅烧制备多孔二氧化钛薄膜。
[0030](7)将步骤(6)制备的二氧化钛薄膜浸入0.3 mmol/L的N719染料中24 h形成染料敏化二氧化钛光阳极。
[0031](8)将步骤(5)制备的复合电极和步骤(7)制备的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间注入液体电解质组装成染料敏化太阳能电池。所述液体电解质由0.01?0.06 mol/L碘、0.08?0.12 mol/L碘化锂、0.4?0.8 mol/L四丁基碘化铵和0.4?0.6 mol/L 4一叔丁基吡啶的乙腈溶液组成。
[0032]并在复合电极的一侧，将两根导线分别连接在所述炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的上下两端，并用乙烯醋酸乙烯共聚物热封，制得能实现雨水发电的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池。
[0033]本发明还进一步利用电化学工作站，在模拟太阳光条件下对制得的所述全天候太阳能电池进行测试。以及用电化学方法检测浓度范围为0.2?2mol/L的NaCl水溶液和浓度为0.6 mol/L的1^(:1、他(:1、1((:1、1%(:12、0&(:12水溶液滴于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜上以及浓度为0.6mol/L的NaCl溶液滴于不同质量比的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜时，盐溶液垂直于两个电极的方向流动所产生的电流和电压信号，进而组装成发电装置。
[0034]通过本发明的上述制备方法，所获得的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的开路电压为680?800 mV，短路电流为16?22 mA.cm—2，填充因子为0.6?0.8，光电转换效率为6.5?11.0%。
[0035]通过本发明的上述制备方法，所获得的基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池在0.2?2 mol/L的NaCl盐溶液的电流范围为O?1.5μΑ/滴，电压范围为O?150μν/滴，功率范围为O?160pW/滴;在0.6 mo I /L的不同氯化物盐溶液的电流范围为O?2μΑ/滴，电压范围为O?10yV/滴，功率范围为O?140pW/滴；在浓度为0.6mol/L的NaCl溶液滴于不同质量比聚四氟乙烯导电复合薄膜的电流范围为O?1.5μΑ/滴，电压范围为O?90μν/滴，功率范围为O?10pW/滴。
[0036]本发明所述的发电装置可以作为电池组件及发电涂料等方面的应用。
[0037]如图1所示，本发明基于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池及发电原理的介绍:
本发明能充分适应不用的环境变化和对新能源的利用。在太阳光条件充足的条件下，所述全天候太阳能电池会受到太阳光照射利用光电转换原理发电。在雨天时，炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜一侧会充分利用雨水中阳离子对石墨烯中离域电子的吸附性及阳离子I离域电子双电层准电容的充放电性能。当模拟雨水在炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合薄膜表面铺展过程中，雨水中的阳离子会吸附石墨烯中的离域电子并驱动离域电子沿导电网络迀移，使准电容充电；在模拟雨滴在炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合薄膜表面收缩过程中，阳离子会驱动离域电子向相反方向迀移，使准电容放电。准电容的充放电产生了电流和电压。
[0038]分别检测模拟太阳光条件下，所述全天候太阳能电池的光电转换效率。以及在0.2?2mol/L的NaCl盐溶液和浓度为0.6 mol/L的LiCl、NaCl、KC1、MgCl2、CaCl2水溶液滴于炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜以及浓度为0.6mol/L的NaCl溶液滴于不同质量比的炭黑石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜时的电流和电压信号。
[0039]由图2可知，在模拟太阳光的条件下所得到的基于铂镍合金对电极的全天候太阳能电池的光电转换效率为9.80%，而纯铂对电极的光电转换效率为7.23%。可以看出铂镍合金的催化性要高于纯铂电极，这导致了其对氧化还原电解质的催化性能和电荷转移能力的提尚O
[0040 ]如图3所示，当NaC I水溶液的浓度越高，Na+离子的浓度越高，更多的离域电子被吸附形成容量更大的准电容，因此增强了电流、电压信号的输出。
[0041]如图4所示，当不同氯化物盐溶液的阳离子半径越大时，阻碍了其在导电薄膜中的吸附和迀移，使其电流、电压信号小于同价半径小的阳离子盐溶液。当不同氯化物盐溶液的阳离子电价越高时，可以吸附更多的离域电子，使其电流、电压信号强于一价阳离子盐溶液。
[0042]如图5所示，当炭黑石墨烯的质量分数为95?七%时，由于此时薄膜具有良好的输水性，薄膜稳定性好，盐溶液可以迅速扩散到周边，并随后收缩。因此，电流电压信号为最大值。
[0043]由图6可知，当炭黑石墨稀的质量分数为由92wt%升高至95 Wt %时，其表面电阻突然减小，这表明在炭黑石墨烯的质量分数为92 wt%时为此导电薄膜的渗阈值。
[0044]以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于它包括以下步骤: (1)将石墨烯与炭黑组成的两种粉末分散在分散剂中，并通过超声分散形成炭黑-石墨稀分散液，所述两种粉末总质量与分散剂体积的质量体积比为0.0l?0.03 g/mL； (2)将聚四氟乙烯水基分散液分散到分散剂中，并通过超声分散形成体积比为聚四氟乙烯水基分散液:分散剂=1: 9000?1:818的混合分散液； (3)将步骤(1)、(2)中的两种分散液混合，并通过超声分散至溶液底部无沉淀出现，得到均匀的炭黑、石墨烯和聚四氟乙烯的分散液； (4)将步骤(3)中得到的分散液涂在FTO导电玻璃对电极的玻璃一侧，以形成负载炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的复合电极； (5)步骤(4)中所制备的复合电极的炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜自然干燥成膜，然后将复合电极置于马弗炉空气气氛下烧结，制得所需的复合电极； (6)制备二氧化钛胶体，将二氧化钛胶体涂于FTO导电玻璃基体上，控制膜厚为5?15μm，经煅烧制备得到多孔二氧化钛薄膜； (7)将步骤(6)制备的二氧化钛薄膜浸入0.2?0.5mmol/L的N719染料中浸泡形成染料敏化二氧化钛光阳极； (8)将步骤(5)制备的复合电极和步骤(7)制备的染料敏化二氧化钛光阳极组合，并在中间注入液体氧化还原电解质组装成染料敏化太阳能电池； 并在复合电极的一侧，将两根导线分别连接到所述炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的上下两端，并用乙烯-醋酸乙烯共聚物热封，制得能实现雨水发电的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池。2.根据权利要求1所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤(I)中两种粉末的质量比为石墨稀:炭黑=3?1:1。3.根据权利要求1所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤(2)中的所述聚四氟乙烯水基分散液中聚四氟乙烯的质量比为1%?10%。4.根据权利要求1所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池的制备方法，其特征在于:所述步骤(5)中的马弗炉的升温速度为:由室温经过30-50分钟升至350-400摄氏度，在350-400摄氏度条件下保温30分钟。5.权利要求1中步骤(I)?(5)所制备得到的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的复合电极。6.权利要求1?5中任一项所述的制备方法制得的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池。7.根据权利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池，其特征在于:所述全天候太阳能电池的开路电压为680?800 mV，短路电流为16?22mA.cm—2，填充因子为0.6?0.8，光电转换效率为6.5?11.0%。8.根据权利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池，其特征在于:所述全天候太阳能电池在作为雨天发电装置时，在复合导电薄膜一侧滴加0.2?2mol/L的NaCl溶液，电流范围为O?1.5μΑ/滴，电压范围为O?150μν/滴，功率范围为O?160pW/滴。9.根据权利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池，其特征在于:所述全天候太阳能电池在作为雨天发电装置时，在复合导电薄膜一侧滴加氯化物盐溶液，电流范围为O?2μΑ/滴，电压范围为O?10yV/滴，功率范围为O?140pW/滴。10.权利要求6所述的基于炭黑-石墨烯/聚四氟乙烯复合导电薄膜的全天候太阳能电池在制备发电装置的电池组件、导电涂料以及电站中的应用。
【文档编号】H01G9/20GK105869896SQ201610385152
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】唐群委, 张洪娜, 贺本林
【申请人】中国海洋大学