一种用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法

一种用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能源转换与存储技术领域，特别涉及一种用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法。
【背景技术】
[0002]染料敏化太阳电池作为一类新型薄膜太阳电池，除了具有较高的转换效率外(稳定在10% )，还具有晶体硅太阳电池不具备的特点:成本较低(约为晶体硅太阳电池的1/5-1/10)、工艺简单、器件可半透明化等。典型的染料敏化太阳电池由光阳极、敏化剂、电解质、对电极四部分组成，其中对电极由导电玻璃以及沉积其表面的铂催化层组成，扮演着收集外路电子并催化还原电解质的重要角色。然而，铂的使用不仅增加了器件的成本，而且因长时间浸泡在电解质中易被腐蚀，进而影响稳定性。因此，非铂催化层的研制是推进染料敏化太阳电池产业化过程中面临的关键问题之一。
[0003]在众多的非铂催化层材料中，低成本、高催化活性且来源广泛的碳材料极具应用潜力。作为催化层使用的碳材料包括石墨、活性炭、炭黑、富勒烯、碳纳米管、石墨烯以及多孔碳等等，可参考申请号为CN201110179512的中国发明专利《一种用于染料敏化太阳电池的高孔隙碳基复合对电极及其制备方法》，还可以参考申请号为CN201310213532的中国发明专利《染料敏化太阳能电池的柔性碳对电极的制备方法、柔性碳对电极以及电池》以及申请号为CN201210094885的中国发明专利《染料敏化太阳能电池中碳对电极的制备方法》。然而，碳对电极的长期稳定性依然是一个有待进一步解决的问题。松散碳颗粒从导电基底上的脱落是导致稳定性下降的主要原因，宄其根源在于所采用催化层是通过粉末状碳材料粘结成型(Lee WJ, Ramasamy E, Lee DY, et al.Performancevariat1n of carbon counter electrode based dye-sensitized solar cell.SolEnergy Mater Sol Cells，2008，92(7):814-818 ;Lee WJj Ramasamy E，Lee DY，et al.Gridtype dye-sensitized solar cell module with carbon counter electrode.J PhotochPhotob1 A, 2008，194(1):27-30)。

【发明内容】

[0004]针对上述现有技术中的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种碳催化层具有原位生长而形成完整外在宏观结构且无粘结剂的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:
[0006]一种用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，包括以下步骤:
[0007]I)配料:
[0008]按照质量比1: (1.5?3)，将水溶性碳质前驱体和水混合均匀，然后加入乙酰丙酮和丙酮，搅拌均匀后得到混合溶液；其中，乙酰丙酮的加入量为水溶性碳质前驱体重量的20?50%，丙酮的加入量为水溶性碳质前驱体重量的20?50% ；
[0009]2)涂层:
[0010]采用旋涂法或喷涂法将混合溶液沉积在导电基底上，然后于60?100°C下保温
0.5 ?2h ;
[0011]3)热解:
[0012]将涂层后的导电基底在氩气或氮气保护下，于500°C保温0.5?2h，随后随炉冷却至150°C以下，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0013]所述的水溶性碳质前驱体为乙二醇、聚乙二醇、水溶性淀粉、果糖、葡萄糖中的一种或一种以上任意比例的混合物。
[0014]所述聚乙二醇的分子量在200?20000之间。
[0015]所述搅拌是在室温下进行的，并且搅拌的时间为20-60min。
[0016]所述步骤2)中保温是在空气气氛中进行的。
[0017]所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或AZO导电玻璃。
[0018]所述500°C是自室温以2?5°C /min的升温速率进行升温达到的。
[0019]与现有技术比较，本发明的有益效果为:
[0020]本发明以水溶性碳质前驱体和水为主要起始原料，经配料、涂层、热解三个工序获得碳薄膜对电极，具有原料广泛且价格低廉、制备工艺简单、生产设备要求低等特点。特别是在热解阶段，附着在导电基底表面的交联状水溶性碳质前驱体原位转化为具有完整外在宏观结构的碳薄膜(即碳催化层)，不仅避免了使用粘结剂，而且克服了现有技术中松散碳粉末易从导电基底上脱落的不足。本申请中的完整外在宏观结构的碳薄膜同时也为外电路电子导入提供了有效的通道，避免了使用粘结剂造成的电子损耗，使外电路电子更快速地传输到碳薄膜表面进而参与电解质还原。此外，本发明获得的碳薄膜对电极具有较高的可见光透光率，在400?700nm可见光范围内的透过率可到达75 %左右，为相应染料敏化太阳电池的半透明化提供了保障，有利于光伏建筑一体化。本发明也可应用于锂电池、超级电容器等储能领域。
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例1中碳薄膜对电极的宏观照片；
[0022]图2是本发明实施例1中碳薄膜对电极的OM形貌(X 200)；
[0023]图3是本发明碳薄膜对电极的透光率曲线；
[0024]图4是本发明碳薄膜对电极构建的染料敏化太阳电池的稳定性曲线；
[0025]图5是本发明实施例2中碳薄膜对电极的OM形貌(X 200)；
[0026]图6是本发明实施例3中碳薄膜对电极的OM形貌(X 200)。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明做详细描述。
[0028]实施例1:
[0029]I)配料:
[0030]按照质量比为1:2，将水溶性碳质前驱体和水混合后在室温下搅拌30min，然后加入水溶性碳质前驱体重量24%的乙酰丙酮以及水溶性碳质前驱体重量39%的丙酮，再在室温下搅拌30min，得到混合溶液；
[0031]2)涂层:
[0032]采用旋涂法将混合溶液沉积在导电基底上，并在空气气氛中于60°C下保温2h ;
[0033]3)热解:
[0034]将涂层后的导电基底在氮气保护下，自室温以5°C /min的升温速率升至500°C并保温2h，然后随炉冷却至150°C以下，最终停止供气，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0035]所述的水溶性碳质前驱体为乙二醇。
[0036]所述的导电基底为FTO导电玻璃。
[0037]本实施例获得的碳薄膜对电极的宏观照片和OM形貌分别参见图1和图2。从图1可以看出碳薄膜对电极具有优异的可见光透过性能；从图2可以看出附着在导电基底的碳催化层具有完整的外在宏观结构，无任何裂纹；碳薄膜对电极在400?700nm可见光范围内的透过率均在75%左右，相应的透光率曲线参见图3。将本实施例获得的碳薄膜对电极用于染料敏化太阳电池。染料敏化太阳电池的相对效率在500h内未发生明显下降，相应的稳定性曲线参见图4。
[0038]实施例2:
[0039]I)配料:
[0040]按照质量比为1:2，将水溶性碳质前驱体和水混合后在室温下搅拌30min，然后加入水溶性碳质前驱体重量24%的乙酰丙酮以及水溶性碳质前驱体重量39%的丙酮，再在室温下搅拌30min，得到混合溶液；
[0041]2)涂层:
[0042]采用旋涂法将混合溶液沉积在导电基底上，并在空气气氛中于60°C下保温2h ;
[0043]3)热解:
[0044]将涂层后的导电基底在氮气保护下，自室温以2°C /min的升温速率升至500°C并保温0.5h，然后随炉冷却至150°C以下，最终停止供气，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0045]所述的水溶性碳质前驱体为水溶性淀粉。
[0046]所述的导电基底为FTO导电玻璃。 [0047]本实施例获得的碳薄膜对电极的OM形貌参见图5。从图5可以看出附着在导电基底的碳催化层具有完整的外在宏观结构，无任何裂纹；碳薄膜对电极在400?700nm可见光范围内的透过率基本高于20%，相应的透光率曲线参见图3。将本实施例获得的碳薄膜对电极用于染料敏化太阳电池。染料敏化太阳电池的相对效率在500h内未发生明显下降，相应的稳定性曲线参见图4。
[0048]实施例3:
[0049]I)配料:
[0050]按照质量比为1:1.5，将水溶性碳质前驱体和水混合后在室温下搅拌30min，然后加入水溶性碳质前驱体重量30 %的乙酰丙酮以及水溶性碳质前驱体重量50 %的丙酮，再在室温下搅拌30min，得到混合溶液；
[0051]2)涂层:
[0052]采用旋涂法将混合溶液沉积在导电基底上，并在空气气氛中于100°C下保温0.5h ；
[0053]3)热解:
[0054]将涂层后的导电基底在氩气保护下，自室温以5°C /min的升温速率升至500°C并保温0.5h，然后随炉冷却至150°C以下，最终停止供气，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0055]所述的水溶性碳质前驱体为聚乙二醇800。
[0056]所述的导电基底为ITO导电玻璃。
[0057]本实施例获得的碳薄膜对电极的OM形貌参见图6。从图6可以看出附着在导电基底的碳催化层具有完整的外在宏观结构，无任何裂纹；碳薄膜对电极在400?700nm可见光范围内的透过率均在75%左右，相应的透光率曲线参见图3。将本实施例获得的碳薄膜对电极用于染料敏化太阳电池。染料敏化太阳电池的相对效率在500h内未发生明显下降，相应的稳定性曲线参见图4。
[0058]实施例4
[0059]I)配料:
[0060]按照质量比为1:3，将水溶性碳质前驱体和水混合后在室温下搅拌30min，然后加入水溶性碳质前驱体重量20%的乙酰丙酮以及水溶性碳质前驱体重量45%的丙酮，再在室温下搅拌20min，得到混合溶液；
[0061]2)涂层:
[0062]采用喷涂法将混合溶液沉积在导电基底上，并在空气气氛中于80°C下保温Ih ;
[0063]3)热解:
[0064]将涂层后的导电基底在氮气保护下，自室温以3°C /min的升温速率升至500°C并保温2h，然后随炉冷却至150°C以下，最终停止供气，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0065]所述的水溶性碳质前驱体为任意比例的果糖与葡萄糖的混合物。
[0066]所述的导电基底为FTO导电玻璃。
[0067]实施例5
[0068]I)配料:
[0069]按照质量比为1:2.5，将水溶性碳质前驱体和水混合后在室温下搅拌30min，然后加入水溶性碳质前驱体重量40 %的乙酰丙酮以及水溶性碳质前驱体重量20 %的丙酮，再在室温下搅拌60min，得到混合溶液；
[0070]2)涂层:
[0071]采用喷涂法将混合溶液沉积在导电基底上，并在空气气氛中于90°C下保温0.5h ;
[0072]3)热解:
[0073]将保温后的导电基底在氮气保护下，自室温以4°C /min的升温速率升至500°C并保温2h，然后随炉冷却至150°C以下，最终停止供气，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0074]所述的水溶性碳质前驱体为乙二醇20000与水溶性淀粉任意比例的混合物。
[0075]所述的导电基底为ITO导电玻璃。
[0076]实施例6
[0077]I)配料:
[0078]按照质量比为1:1.8，将水溶性碳质前驱体和水混合后在室温下搅拌30min，然后加入水溶性碳质前驱体重量50 %的乙酰丙酮以及水溶性碳质前驱体重量30 %的丙酮，再在室温下搅拌50min，得到混合溶液；
[0079]2)涂层:
[0080]采用旋涂法将混合溶液沉积在导电基底上，并在空气气氛中于70°C下保温1.5h ;
[0081]3)热解:
[0082]将涂层后的导电基底在氩气保护下，自室温以5°C /min的升温速率升至500°C并保温2h，然后随炉冷却至150°C以下，最终停止供气，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。
[0083]所述的水溶性碳质前驱体为乙二醇10000、水溶性淀粉与葡萄糖任意比例的混合物。
[0084]所述的导电基底为AZO导电玻璃。
[0085]本发明以水溶性碳质前驱体和水为主要起始原料，经配料、涂层、热解三大工序获得碳薄膜对电极。在热解阶段，附着在导电基底表面的交联状水溶性碳质前驱体原位转化为具有完整外在宏观结构的碳薄膜(即碳催化层)，不仅避免了粘结剂在对电极中的使用，而且克服了现有技术带来的松散碳粉末易从导电基底上脱落的不足。完整外在宏观结构的碳薄膜同时也为外电路电子导入提供了有效的通道，避免了粘结剂造成的电子损耗。此外，本发明获得的碳薄膜对电极具有较高的可见光透光率，为相应染料敏化太阳电池的半透明化提供了保障。本发明也可应用于锂电池、超级电容器等储能领域。
【主权项】
1.一种用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)配料: 按照质量比1: (1.5?3)，将水溶性碳质前驱体和水混合均匀，然后加入乙酰丙酮和丙酮，搅拌均匀后得到混合溶液；其中，乙酰丙酮的加入量为水溶性碳质前驱体重量的20?50%，丙酮的加入量为水溶性碳质前驱体重量的20?50% ； 2)涂层: 采用旋涂法或喷涂法将混合溶液沉积在导电基底上，然后于60?100°C下保温0.5?2h ； 3)热解: 将涂层后的导电基底在氩气或氮气保护下，于500°C保温0.5?2h，随后随炉冷却至150°C以下，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。2.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于:所述的水溶性碳质前驱体为乙二醇、聚乙二醇、水溶性淀粉、果糖、葡萄糖中的一种或一种以上任意比例的混合物。3.根据权利要求2所述的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于:所述聚乙二醇的分子量在200?20000之间。4.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于:所述搅拌是在室温下进行的，并且搅拌的时间为20?60min。5.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于:所述步骤2)中保温是在空气气氛中进行的。6.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于:所述的导电基底为FTO导电玻璃、ITO导电玻璃或AZO导电玻璃。7.根据权利要求1所述的用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，其特征在于:所述500°C是自室温以2?5°C /min的升温速率进行升温达到的。
【专利摘要】一种用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极的制备方法，按照质量比1:(1.5～3)，将水溶性碳质前驱体和水混合均匀，然后加入乙酰丙酮和丙酮，搅拌均匀后得到混合溶液；采用旋涂法或喷涂法将混合溶液沉积在导电基底上，然后于60～100℃下保温0.5～2h；将沉积后的导电基底于500℃保温0.5～2h，随后随炉冷却至室温，得到用于染料敏化太阳电池的碳薄膜对电极。本发明不仅避免了粘结剂使用，而且克服了现有技术中松散碳粉末易从导电基底上脱落的不足。本申请中的完整外在宏观结构的碳薄膜同时也为外电路电子导入提供了有效的通道，避免了使用粘结剂造成的电子损耗，使外电路电子更快速地传输到碳薄膜表面进而参与电解质还原。
【IPC分类】H01G9/20, H01G9/042
【公开号】CN104900414
【申请号】CN201510277543
【发明人】徐顺建, 罗玉峰, 钟炜, 肖宗湖, 罗永平, 欧惠
【申请人】新余学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月27日