专利名称：一种用于敏化类太阳能电池的复合对电极及制备方法
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复合对电极及制备方法，属于纳米材料技术领域，也属于新能源技术领域。
背景技术：
近年来，能源问题与全球经济发展之间的矛盾日益突出，成为制约社会发展的关键因素。染料敏化太阳能电池是九十年代开发的一种新型化学太阳能电池，具有低廉的成本和简单的制备工艺，且性能稳定、衰减少，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。目前采用的主要是Pt对电极，虽然Pt对电极电阻低、催化活性好。但是Pt是一种贵金属，价格昂贵，且其制备需要高温或高真空条件及相应设备，不适合大规模应用。因此为了降低成本，碳材料被人们广泛研究来替代钼电极。如林嘉鹏等人在中国有色金属学报上(第20卷第9期)报道了一种碳纳米复合对电极在染料敏化太阳能电池中的应用，他们将碳纳米管添加到纳米炭黑中制成悬浮液，然后滴加到FTO玻璃上进行高温热处理，得到纳米碳黑-纳米碳管复合材料的对电极，取得了不错的效果。再如张军等人在ElectrochimicaActa(2011，ΕΑ-16677)上报道了一种聚噻吩类化合物对电极，他们将直径为20nm的多壁碳纳米管溶于包含等离子体水、乙醇和聚乙二醇的溶液中，通过氧化带电聚合物的方法制备了由聚噻吩类化合物和多壁碳纳米管组成的复合膜，应用到染料敏化太阳能电池中，获得了 5. 47%的转化效率。但是上述方法工艺复杂，需要高温设备，生产成本高。本发明的方法，原料低廉，工艺简单易行，制备条件要求较低，采用此复合对电极的DSSC 的光电性能略高于Pt对电极的DSSC的光电性能。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供了一种敏化类太阳能电池的复合对电极及制备方法，其制备工艺简单，成本低廉，可以取代敏化类太阳能电池的Pt对电极，从而为敏化类太阳能电池的产业化生产奠定了良好的基础。所述敏化类太阳能电池的复合对电极的结构是在掺氟的导电玻璃FTO上生长了一层由无定形碳、碳纳米管和金属纳米颗粒组成的催化层，催化层的厚度为20 50μπι，所述的金属纳米颗粒与碳的质量百分比为10% 50%。所述敏化类太阳能电池的复合对电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 01 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量金属茂合物，添加金属茂合物的浓度为1 10mg/mL，然后注入酒精灯中；
(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 3 6. 5cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留一段时间，然后熄灭火焰， 待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。所述的FTO在火焰中停留时间为1 60s。本发明的优点在于该复合对电极由无定形碳、碳纳米管和金属纳米颗粒组成，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。本发明的制备方法是乙醇催化燃烧法，原料成本低廉，设备工艺简单，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为复合对电极的扫描电子显微镜照片，(a)为俯视图，(b)为剖面图。图2为复合对电极的透射电子显微镜照片，(a)为低倍放大，(b)为高倍放大。图3为复合对电极的Raman光谱。图4为本发明的复合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复合对电极；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复合对电极和制备方法实施例1复合对电极的制备过程如下(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量二茂铁，添加二茂铁的浓度为5mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 6 cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留15s，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。将制备的复合对电极应用到染料敏化太阳能电池中，获得的染料敏化太阳能电池的开路电压为0. 7639V，短路电流密度为8. 75mA/cm2，填充因子为0. 2768，光电转换效率为 1. 85%。实施例2(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；
(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量二茂铁，添加二茂铁的浓度为5mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 6 cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留20s，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。获得的染料敏化太阳能电池的开路电压为0. 7839V，短路电流密度为7. 59mA/cm2, 填充因子为0.4152，光电转换效率为2. 47%。实施例3(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量二茂铁，添加二茂铁的浓度为5mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 6 cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留25s，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。获得的染料敏化太阳能电池的开路电压为0. 7839V，短路电流密度为9. 81mA/cm2, 填充因子为0. 4304，光电转换效率为3.31%。实施例4(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量二茂铁，添加二茂铁的浓度为5mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 6 cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留30s，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。获得的染料敏化太阳能电池的开路电压为0. 7940V，短路电流密度为10. 7mA/ cm2，填充因子为0.5603，光电转换效率为4. 76%。该复合对电极的扫描电子显微镜照片和透射电子显微镜照片分别如图1和图2所示。从图2中可以清晰地看出该复合对电极的碳纳米管状和金属纳米颗粒结构。图3为复合对电极的Raman光谱，从图3可以看到在 lOOIOOOcnT1这个频率范围内，出现了很多特征峰，有表征碳材料石墨化程度的典型特征峰 G峰和D峰，在KKK^OcnT1范围内的特征峰是纳米管的特征振动模式，这表明沉积物中存在碳纳米管。以该复合对电极和Pt对电极组装染料敏化太阳能电池，其I-V曲线分别如图 4所示，A曲线对应于本发明的复合对电极，B曲线对应于Pt对电极。实施例5(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；
(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量二茂铁，添加二茂铁的浓度为5mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 6 cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留35s，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。获得的染料敏化太阳能电池的开路电压为0.8121V，短路电流密度为11.81mA/ cm2，填充因子为0.似85，光电转换效率为4. 11%。实施例6(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0. 1 %，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量二茂铁，添加二茂铁的浓度为5mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为 6 cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留30s，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。将丝网印刷好的TW2薄膜在30°C下，先浸入的0. 3M Cd(NO3)2的乙醇与水的混合溶液中5min，然后取出用去离子水冲洗，然后在0. 3M的Na2S的乙醇与水的混合溶液中 5min，取出用去离子水冲洗。接着重复循环4次，得到敏化后的TiO2光阳极，其中乙醇与水的体积比为1 1 ；将其组装成量子点敏化太阳能电池，电解质采用多硫化物电解质，组装方法同实施例1。获得的量子点敏化太阳能电池的开路电压为0.069V，短路电流密度为0. 13mA/ cm2，填充因子为0. 33，光电转换效率为0. 03%。
权利要求
1.一种用于敏化类太阳能电池的复合对电极，其特征在于，所述敏化类太阳能电池的复合对电极的结构为在掺氟的导电玻璃FTO上生长了一层由无定形碳、碳纳米管和金属纳米颗粒组成的催化层。
2.根据权利要求1所述的敏化类太阳能电池的复合对电极，其特征在于所述的催化层厚度为20 50μπι。
3.根据权利要求1所述的敏化类太阳能电池的复合对电极，其特征在于所述的金属纳米颗粒和碳的质量百分比为10% 50%。
4.一种敏化类太阳能电池的复合对电极的制备方法，其特征在于包括如下步骤(1)在无水乙醇中添加少量噻吩，添加噻吩的浓度为0.01 1%，该浓度为噻吩和无水乙醇的体积比；(2)在步骤(1)中的溶液中，添加适量金属茂合物，添加金属茂合物的浓度为1 10mg/mL，然后注入酒精灯中；(3)将清洁干净的FTO固定在升降台上，调节FTO与酒精灯灯芯顶端之间的距离为3 6. 5cm ；(4)点燃步骤(3)中的酒精灯，将FTO放入火焰中，停留一段时间，然后熄灭火焰，待样品冷却后取下，在FTO上有黑色沉淀物生成，即得到复合对电极。
5.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1 60s。
全文摘要
本发明涉及了一种用于敏化类太阳能电池的复合对电极及制备方法，该复合对电极的结构为在掺氟的导电玻璃FTO上生长了一层由无定形碳、碳纳米管和金属纳米颗粒组成的催化层。其制备方法是，将少量噻吩添加到无水乙醇中，然后再加入适量的金属茂合物，将混合液体注入酒精灯中；将清洁干净的FTO固定在升降台上；点燃火焰，FTO在火焰中停留一段时间，之后熄灭火焰，可在FTO上获得由无定形碳、碳纳米管和金属纳米颗粒组成的复合对电极。该复合对电极催化活性高，稳定性好等特点。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H01L51/48GK102543462SQ20111038918
公开日2012年7月4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