一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法
【专利摘要】一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法，涉及一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法。本发明是为了解决目前染料敏化太阳能电池的Pt对电极成本高，液态电解质和电解液对铂存在腐蚀作用以及铂粒与导电基底的粘着力差的技术问题。本发明：一、溶剂热反应；二、离心、洗涤和晾干；三、煅烧。本发明的优点：本发明的方法是一种操作简单、成本低廉、具有较高的催化活性和稳定性的染料敏化太阳能电池的对电极材料，利用六氯化钨作为钨源和氧化石墨通过溶剂热的方法合成W18O49-rGO，可以作为染料敏化太阳能电池的对电极。
【专利说明】-种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法。
【背景技术】
[0002] 染料敏化太阳能电池值ye-sensitized solar cell)是一种模仿光合作用原理 的、廉价的薄膜太阳能电池。它是基于光敏电极和电解质构成的半导体的电化学系统，其应 用材料廉价，不需要用精密仪器制造，而且造价与其他种类电池相比有明显的优势，同时还 可W被制成软片，机械强度大，不需要特别保护来防止树枝的撞击。
[0003] 自1991年瑞±科学家M. Gratzd教授领导的科研小组在染料敏化太阳能电池技术 上取得突破W来，欧、美、日等发达国家和地区投入大量资金进行研发，使得染料敏化太阳 能电池的光电转换效率有了很大的提高。又因其原材料丰富、成本低、工艺技术相对简单， 同时所有原材料和生产工艺都无毒、无污染，部分材料还可W得到充分的回收等优势得到 了人们的大力关注，对保护人类环境具有重要意义。
[0004] 染料敏化太阳能电池的对电极作为还原催化剂，通常是在带有透明导电的玻璃上 锻上笛。虽然笛电极显示出较高的催化活性，但是笛作为贵金属，制备对电极必然会大大提 高电池的成本，尤其是在大面积、实用化电池组件中。同时笛电极存在公认的两个问题；（1) 液态电解质和电解液对笛存在的腐蚀作用；（2)笛粒与导电基底的粘着力差。该两个问题 都会大大降低染料敏化太阳能电池的光电转换效率。于是，人们把目光转向性能更高、更稳 定、制作更简单、成本更低廉的可替代笛的材料上。
【发明内容】
[0005] 本发明是为了解决目前染料敏化太阳能电池的Pt对电极成本高，液态电解质和 电解液对笛存在腐蚀作用W及笛粒与导电基底的粘着力差的技术问题，而提供一种染料敏 化太阳能电池的对电极材料的制备方法。
[0006] 本发明的一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法具体是按W下步骤 进行的：
[0007] -、将WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨混合溶解在无水己醇中， 得到混合溶液I，然后将混合溶液I密封于反应蓋中，在温度为18(TC的条件下保温2化进 行溶剂热反应，自然冷却至室温，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用传统的Hummers法 制备的氧化石墨的质量比为1: (1?3);所述的WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧 化石墨总共的质量与无水己醇的体积比为lg:200mL ;
[000引二、将步骤一得到的混合溶液II离也，得到固相的Wi804g-@rGO复合物，用己醇洗涂 固相的Wi化g-@rG0复合物3次?4次，然后在室温下自然瞭干，得到黑色粉末；
[0009] H、将步骤二得到的黑色粉末溶解在异丙醇中，机械揽拌12h，得到黑色溶液，使用 喷笔将黑色溶液均匀的喷涂在干净的FT0导电玻璃上，将喷涂有黑色溶液的FT0玻璃在N2 保护和温度为50(TC的条件下锻烧30min，自然降至室温，得到Wi8〇4g-@rGO ;所述的黑色粉末 的质量与异丙醇的体积比为lg:l〇〇mL。
[0010] 本发明的原理：
[0011] 石墨帰具有优异的导电性能，而Wis〇4g可W提供大量的活性位点，本发明由两者形 成的Wi化9-@rG0复合结构既可W保持石墨帰的导电性能，又可W保持Wi8〇49的催化活性，另 外在Wi8〇4g-@rGO的复合结构中，片层结构的石墨帰提供与电解液接触的巨大面积，大大增 加了电子的传输速率，Wi8〇4g中大量的活性位点有效的将f还原为r。
[001引本发明的优点：
[0013] 本发明的方法是一种操作简单、成本低廉、具有较高的催化活性和稳定性的染料 敏化太阳能电池的对电极材料，利用六氯化鹤作为鹤源和氧化石墨通过溶剂热的方法合成 Wi8〇4g-@rGO,可W作为染料敏化太阳能电池的对电极。染料敏化太阳能电池的光电转换效率 达到7.2%，与Pt电极十分接近。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是试验一制备的Wi8〇49-@rGO的沈M图；
[00巧]图2是试验一制备的Wi8〇49-@rGO的X畑图；
[001引图3是光电流-光电压曲线图，曲线1是试验二中采取试验一制备的的Wi804g-@rGO 作为对电极制备的染料敏化太阳能电池器件，曲线2是试验H用Pt对电极制备的染料敏化 太阳能电池器件。
【具体实施方式】
[0017]
【具体实施方式】一；本实施方式是一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方 法，具体是按W下步骤进行的：
[001引一、将WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨混合溶解在无水己醇中， 得到混合溶液I，然后将混合溶液I密封于反应蓋中，在温度为18(TC的条件下保温2化进 行溶剂热反应，自然冷却至室温，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用传统的Hummers法 制备的氧化石墨的质量比为1: (1?3);所述的WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧 化石墨总共的质量与无水己醇的体积比为Ig:200血；
[0019] 二、将步骤一得到的混合溶液II离也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO复合物，用己醇洗涂 固相的Wi化g-@rG0复合物3次?4次，然后在室温下自然瞭干，得到黑色粉末；
[0020] H、将步骤二得到的黑色粉末溶解在异丙醇中，机械揽拌12h，得到黑色溶液，使用 喷笔将黑色溶液均匀的喷涂在干净的FT0导电玻璃上，将喷涂有黑色溶液的FT0玻璃在N2 保护和温度为50(TC的条件下锻烧30min，自然降至室温，得到Wi8〇4g-@rGO ;所述的黑色粉末 的质量与异丙醇的体积比为lg:l〇〇mL。
[0021] 本实施方式的原理：
[0022] 石墨帰具有优异的导电性能，而Wis〇4g可W提供大量的活性位点，本实施方式由两 者形成的Wi8〇4g-@rGO复合结构既可W保持石墨帰的导电性能，又可W保持Wis〇4g的催化活 性，另外在Wi8〇4g-@rGO的复合结构中，片层结构的石墨帰提供与电解液接触的巨大面积，大 大增加了电子的传输速率，Wi8〇4g中大量的活性位点有效的将f还原为r。
[0023] 本实施方式的优点：
[0024]本实施方式的方法是一种操作简单、成本低廉、具有较高的催化活性和稳定性的 染料敏化太阳能电池的对电极材料，利用六氯化鹤作为鹤源和氧化石墨通过溶剂热的方法 合成Wi8〇4g-@rGO,可W作为染料敏化太阳能电池的对电极。染料敏化太阳能电池的光电转 换效率达到7. 2%，与Pt电极十分接近。
[00巧]【具体实施方式】二；本实施方式与【具体实施方式】一不同的是；步骤一中所述的传统 的Hummers法制备的氧化石墨的方法是：
[002引一、将Ig石墨加入25血的浓硫酸中，缓慢揽拌，再缓慢加入Ig的NaN03,分3次缓 慢加入一共3g的高猛酸钟，在冰水浴的条件下揽拌15min?30min，用保鲜膜封口，撤去冰 水浴，然后揽拌2化，分3次快速的在揽拌的条件下加入一共40mL的蒸觸水，在揽拌的条件 下滴加lOmL的&02,至体系颜色不再改变即停止揽拌；
[0027] 二、将上述体系离也，得到固体，用1?2mol/L的HN03离也洗涂固体3次，加入 30mL的己醇，超声后离也，得固体，将固体平铺在干净的表面皿中，在室温下真空干燥2化， 研磨，得到氧化石墨。。其它与【具体实施方式】一相同。
【具体实施方式】 [0028] H ;本实施方式与一或二不同的是：步骤一中所述的 WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨的质量比为1:3。其它与一 或二相同。
【具体实施方式】 [0029] 四；本实施方式与一至H之一不同的是：步骤二中将 步骤一得到的混合溶液II离也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO复合物，用己醇洗涂固相的Wi8〇4g-@ rGO复合物3次，然后在室温下自然瞭干，得到黑色粉末。其它与一至H之一 相同。
[0030] 采用下述试验验证本发明的效果：
[0031] 试验一：本试验为一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法，具体是按 W下步骤进行的：
[0032] -、将WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨混合溶解在无水己醇中， 得到混合溶液I，然后将混合溶液I密封于反应蓋中，在温度为18(TC的条件下保温2化进 行溶剂热反应，自然冷却至室温，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用传统的Hummers法 制备的氧化石墨的质量比为1:3 ;所述的WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨 总共的质量与无水己醇的体积比为lg:200mL ;
[003引二、将步骤一得到的混合溶液II离也，得到固相的Wi804g-@rGO复合物，用己醇洗涂 固相的Wi化9-@rG0复合物3次，然后在室温下自然瞭干，得到黑色粉末；
[0034] H、将步骤二得到的黑色粉末溶解在异丙醇中，机械揽拌12h，得到黑色溶液，使用 喷笔将黑色溶液均匀的喷涂在干净的FT0导电玻璃上，将喷涂有黑色溶液的FT0玻璃在N2 保护和温度为50(TC的条件下锻烧30min，自然降至室温，得到Wi8〇49-@rGO ;所述的黑色粉末 的质量与异丙醇的体积比为lg:l〇〇mL。
[00巧]试验二：制备染料敏化太阳能电池器件，具体是按W下进行：
[0036] -、采用刮涂的方法刮涂第一层光阳极膜，放在在马弗炉中在12CTC条件下烘干 lOmin，用刮涂的方法进行第二次的刮涂，放在在马弗炉中在12CTC条件下烘干lOmin，W相 同的方法进行第H次刮涂，放在在马弗炉中在12CTC条件下烘干lOmin，使用马弗炉W 2C / min的升温速度加热到450。并在45CTC保温30min，自然降温至8(TC时进行敏化处理，得 到敏化后的光阳极；
[0037] 二、将本试验中步骤一得到的敏化后的光阳极和试验一得到的Wi8〇4g-@rGO作为对 电极用封口膜组装在一起，在两极之间注入电解液，构筑成为H明治结构的染料敏化太阳 能电池器件；所述的电解液是甲氧基己膳、12、叔下基化巧、Lil、苯并和脈的混合物，其中甲 氧基己膳是10血，12的浓度是0. 〇3mol/L、叔下基化巧的浓度是0. 5mol/L、Lil的浓度是 0. Imol/L、苯并的浓度是0. Imol/L、脈的浓度是0. Imol/Lo
[0038] 试验H ;本试验为对比试验，制备染料敏化太阳能电池器件，具体是按W下进行：
[0039] -、采用刮涂的方法刮涂第一层光阳极膜，放在在马弗炉中在12CTC条件下烘干 lOmin，用刮涂的方法进行第二次的刮涂，放在在马弗炉中在12CTC条件下烘干lOmin，W相 同的方法进行第H次刮涂，放在在马弗炉中在12CTC条件下烘干lOmin，使用马弗炉W 2C / min的升温速度加热到450。并在45CTC保温30min，自然降温至8(TC时进行敏化处理，得 到敏化后的光阳极；
[0040] 二、用微量注射器（10 UL)注射20 UL的氯笛酸于导电玻璃上，待其在室温下瞭干 后，将导电玻璃放入马弗炉中在40(TC赔烧30min，即可得到Pt对电极；将本试验中步骤一 得到的敏化后的光阳极和Pt对电极用封口膜组装在一起，在两极之间注入电解液，构筑成 为H明治结构的染料敏化太阳能电池器件；所述的电解液是甲氧基己膳、I,、叔下基化巧、 Lil、苯并和脈的混合物，其中甲氧基己膳是10血，12的浓度是0.03mol/L、叔下基化巧的浓 度是0. 5mol/L、Lil的浓度是0. Imol/L、苯并的浓度是0. Imol/L、脈的浓度是0. Imol/Lo [00川图1是试验一制备的Wi化9-@rG0的沈M图，可W从图中看到Wi8049纳米线均匀的 分散在片层的石墨帰上。
[004引图2是试验一制备的Wi804g-@rGO的邸D图，从图中可W明显的看到在23. 0。和 47.4°分别对应着Wi8049的（010)晶面和（020)晶面，在23. r对应着石墨帰的（002)晶 面。
[004引图3是光电流-光电压曲线图，曲线1是试验二中采取试验一制备的的Wi804g-@rGO 作为对电极制备的染料敏化太阳能电池器件，曲线2是试验H用Pt对电极制备的染料敏化 太阳能电池器件，从图中可W看到WWi化g-@rG0和Pt材料为对电极的染料敏化太阳能电池 的短路光电流分别对应着25. 08mA ? cnT2和16. 1mA ? cnT2,开路光电压分别对应着0. 743V 和0. 734V，利用光电转换效率计算公式来计算试验二和试验H中的染料敏化太阳能电池光 电转换效率分别为7. 2%和7. 6% ;
[0044] 光电转换效率计算公式： J'scxVocyJ'y
[0045] 巧二---
[004引式中Jsc，Voc，FF和Pi。分别代表染料敏化太阳能电池的短路光电流，开路光电压， 填充因子和测试时入射光的强度（本试验中为lOOmW ? cm-2);
[0047] 其中，填充因子的计算公式为：
[0048] … ,/scx Voc
[0049] 式中（JXV)m"代表染料敏化太阳能电池的最大输出功率，Jsc和Voc分别代表染 料敏化太阳能电池的短路光电流和开路光电压；
[0050] 综上可W说明试验二中采取试验一制备的的Wi8〇4g-@rGO作为对电极制备的染料 敏化太阳能电池器件的光电流得到了明显的增加，光电转换效率基本不变，可W说明试验 一制备的Wi8〇4g-@rGO能成为笛电极的替代材料作为染料敏化太阳能电池的对电极。
【权利要求】
1. 一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法，其特征在于染料敏化太阳能电 池的对电极材料的制备方法是按W下步骤进行的： 一、 将WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨混合溶解在无水己醇中，得到 混合溶液I，然后将混合溶液I密封于反应蓋中，在温度为18(TC的条件下保温24h进行溶 剂热反应，自然冷却至室温，得到混合溶液II ;所述的WCle粉末和用传统的Hummers法制备 的氧化石墨的质量比为1: (1?3);所述的WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石 墨总共的质量与无水己醇的体积比为lg:200mL ; 二、 将步骤一得到的混合溶液II离也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO复合物，用己醇洗涂固相 的Wi8〇4g-@rGO复合物3次?4次，然后在室温下自然瞭干，得到黑色粉末； H、将步骤二得到的黑色粉末溶解在异丙醇中，机械揽拌12h，得到黑色溶液，使用喷笔 将黑色溶液均匀的喷涂在干净的FTO导电玻璃上，将喷涂有黑色溶液的FTO玻璃在N2保护 和温度为50(TC的条件下锻烧30min，自然降至室温，得到Wi8〇49-@rGO ;所述的黑色粉末的质 量与异丙醇的体积比为lg:l〇〇mL。
2. 根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法，其特征 在于步骤一中所述的传统的Hummers法制备的氧化石墨的方法是： 一、 将Ig石墨加入25血的浓硫酸中，缓慢揽拌，再缓慢加入Ig的NaN03,分3次缓慢 加入一共3g的高猛酸钟，在冰水浴的条件下揽拌15min?30min，用保鲜膜封口，撤去冰水 浴，然后揽拌2化，分3次快速的在揽拌的条件下加入一共40mL的蒸觸水，在揽拌的条件下 滴加lOmL的肥02,至体系颜色不再改变即停止揽拌； 二、将上述体系离也，得到固体，用1?2mol/L的HN03离也洗涂固体3次，加入30血的 己醇，超声后离也，得固体，将固体平铺在干净的表面皿中，在室温下真空干燥2化，研磨，得 到氧化石墨。
3. 根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法，其特征 在于步骤一中所述的WCle粉末和用传统的Hummers法制备的氧化石墨的质量比为1: 3。
4. 根据权利要求1所述的一种染料敏化太阳能电池的对电极材料的制备方法，其特征 在于步骤二中将步骤一得到的混合溶液II离也，得到固相的Wi8〇4g-@rGO复合物，用己醇洗 涂固相的Wi化g-@rG0复合物3次，然后在室温下自然瞭干，得到黑色粉末。
【文档编号】H01G9/042GK104465103SQ201410850424
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月31日 优先权日:2014年12月31日
【发明者】潘凯, 隋思雨, 付宏刚, 谢颖, 刑子鹏, 廖永平, 王秀文 申请人:黑龙江大学