专利名称：敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极及制备方法
技术领域：
本发明涉及太阳能电池技术，特别是涉及一种敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极及制备方法，属于纳米材料技术领域，也属于新能源技术领域。
背景技术：
1991年，瑞士洛桑高等工业学院的Michael GrStzel教授领导的研究小组将纳米晶多孔薄膜引入染料敏化太阳能电池(DSSC)中，使得这种电池的光电转换效率有了大幅度的提高，逐渐成为最有希望得到应用的新型太阳能电池之一。由于该电池以其低廉的成本、 简单的工艺和相对较高的光电转换效率而引起了世界各国科学家和工业界的广泛关注，具有很好的应用前景。敏化类太阳能电池由三部分组成吸附染料的光阳极(TiA薄膜)、含有氧化还原对(Ι3-/Γ)的电解质和对电极。对电极的作用是将外电路流入的电子传给电解质中的13_， 并将其还原为Γ。作为电池的重要组成部分，对电极的催化性能对整个电池的光电转化效率有着重要的影响。目前采用最多的是Pt对电极，虽然Pt对电极电阻低、催化活性好， 但是Pt是贵金属，价格昂贵，不适合大规模生产和应用。而碳材料资源丰富且价格低廉， 热稳定性和化学稳定性好，对Ι3-/Γ电子对催化性高，导电能力强，被看作是一种理想的钼替代物，因此被人们广泛研究。如黄振等人在Electrochemistry Communications (2007, 9 =596-598)报道了，用水热法以蔗糖为原料制备了纳米孔球行硬碳材料作为染料敏化太阳能电池的对电极，转化效率达到了 4. 7 %。再如Q. W. Jiang等人在Electrochemistry Communications (2010,12 =924-927)上报道了，将竹竿和橡木在900°C下烧4h,得到一种高度有序的微孔碳阵列作为染料敏化太阳能电池的对电极，获得了 4. 53%的转化效率。但是以上方法制备工艺复杂，并且需要高温设备。而本发明的类洋葱石墨纳米球对电极的制备方法具有制备工艺简单，制备条件要求较低，制备周期短等特点，并且将制备的类洋葱石墨纳米球对电极应用到DSSC中，其性能略优于Pt对电极。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，研制出一种类洋葱石墨纳米球对电极， 在掺氟的导电玻璃FTO上制备了一层类洋葱石墨纳米球作为催化层，类洋葱石墨纳米球的直径在IO-IOOnm之间，催化层的厚度为20-200 μ m，具有高催化活性、高稳定性等特点。所述敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)将蜡烛固定在实验台上；(2)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节蜡烛芯顶部与FTO之间的距离，使 FTO在制备过程中始终处于火焰中；(3)点燃步骤(2)中的蜡烛，将FTO放入火焰中，停留片刻，然后熄灭蜡烛，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到类洋葱石墨纳米球对电极。
所述FTO与蜡烛芯顶部之间的距离为0. 5-2. 5cm。所述的FTO在火焰中停留时间为l-60s。所述的类洋葱石墨纳米球对电极的制备过程在大气环境中完成。本发明的优点在于该类洋葱石墨纳米球对电极对氧化还原电对有高的催化活性，能够提高光的吸收率，与Pt对电极相比，降低该电池生产成本的同时，保持了该电池高的光电转化效率。基于该类洋葱石墨纳米球对电极的染料敏化太阳能电池的性能略优于传统的Pt对电极。本发明的制备方法是蜡烛燃烧法，最大的优势是原料成本低廉，设备工艺简单，避免了高温和高真空条件的相应设备，同时制备周期短，这有效的降低了敏化类太阳能电池制作的生产成本，为该电池的产业化生产奠定了良好基础。本发明将通过下面实例来进行举例说明，但是，本发明并不限于这里所描述的实施方案，本发明的实施例仅用于进一步阐述本发明。对于本领域的技术人员对本发明的内容所进行的替代、改动或变更，这些等价形式同样落入本申请所限定的范围内。
图1为类洋葱石墨纳米球对电极的扫描电子显微镜照片，(a)为低倍，(b)为高倍。图2为类洋葱石墨纳米球对电极的透射电子显微镜照片，(a)为低倍，(b)为高倍。图3为类洋葱石墨纳米球对电极中单个石墨纳米球的透射电子显微镜照片。图4为本发明的类洋葱石墨纳米球对电极和热分解法的Pt对电极组装的染料敏化太阳能电池的电流电压曲线对比图；A曲线对应于本发明的类洋葱石墨纳米球对电极；B 曲线对应于Pt对电极。
具体实施例方式下面将结合附图和实施例具体描述本发明的类洋葱石墨纳米球对电极和制备方法实施例1表1中4种实施例的类洋葱石墨纳米球对电极的具体制备过程如下(1)将蜡烛固定在实验台上；(2)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节蜡烛芯与FTO之间的距离分别为 lcm、l. 5cm、2cm、2. 5cm ；(3)点燃步骤(2)中的蜡烛，将FTO放入火焰中，停留lmin，然后熄灭蜡烛，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到类洋葱石墨纳米球对电极1-4。将制备的类洋葱石墨纳米球对电极组装成染料敏化太阳能电池。选用100目的丝网印刷版在FTO上印刷一层20nm的TW2浆料，静置lOmin，在125°C下热处理6min然后再印刷一层200nm的TW2浆料，使薄膜厚度约为6 μ m，静置lOmin，再在450°C下退火30min。 再将TW2薄膜放到0. 2M的TiCl4溶液中，在70°C下持温30min，然后在450°C下退火30min， 当温度降到80°C时，将TW2薄膜取出，泡入0. 3mM的N719染料中12h，作为敏化类太阳能电池的光阳极。对电极为本发明的类洋葱石墨纳米球对电极。为了作为对比，采用传统的热分解法制备Pt对电极。光阳极与对电极之间为碘电解质。组装好的电池在氙灯下测量电流与电压的电流-电压曲线。电池的各个参数列于表1。
表 权利要求
1.一种用于敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极，其特征在于，所述敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极的结构为在掺氟的导电玻璃FTO上生长了一层由类洋葱石墨纳米球组成的催化层。
2.根据权利要求1所述的敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极，其特征在于所述的类洋葱石墨纳米球直径在IO-IOOnm之间。
3.根据权利要求1所述的敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极，其特征在于所述的催化层厚度为20-200 μ m。
4.一种敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)将蜡烛固定在实验台上；(2)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节蜡烛芯顶部与FTO之间的距离，使FTO在制备过程中始终处于火焰中；(3)点燃步骤(2)中的蜡烛，将FTO放入火焰中，停留片刻，然后熄灭蜡烛，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到类洋葱石墨纳米球对电极。
5.按权利要求4所述的方法，其特征在于FTO与蜡烛芯顶部之间的距离为 0. 5-2. 5cm。
6.按权利要求4所述的方法，其特征在于所述的FTO在火焰中停留时间为l-60s。
7.按权利要求4所述的方法，其特征在于所述的类洋葱石墨纳米球对电极的制备过程在大气环境中完成。
全文摘要
本发明公开了一种敏化类太阳能电池的类洋葱石墨纳米球对电极及制备方法。该类洋葱石墨纳米球对电极是在掺氟的导电玻璃FTO上生长了一层由类洋葱石墨纳米球组成的催化层。其制备方法包括如下步骤(1)将蜡烛固定在实验台上；(2)将清洗干净的FTO固定在升降台上；(3)点燃蜡烛，FTO在火焰中停留片刻，可在FTO上获得由类洋葱石墨纳米球组成的碳对电极。该类洋葱石墨纳米球对电极具有高催化活性，高稳定性等特点，以该类洋葱石墨纳米球对电极组装的染料敏化太阳能电池，其光电转换效率略高于基于传统的Pt对电极的染料敏化太阳能电池。该制备方法不仅工艺简单、成本低廉，降低了染料敏化太阳能电池和量子点敏化太阳能电池的制作成本，而且环境友好，适合产业化生产。
文档编号H01M14/00GK102568838SQ201110389160
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者于肇贤, 孙哲, 邹小平, 魏翠柳 申请人:北京信息科技大学