一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极及其制备方法，属于太阳能电池技术领域。本发明专利技术通过在导电基板表面顺次形成石墨碳层和碳纳米颗粒层，二者复合形成三维立体结构复合碳基对电极。本发明专利技术提出的复合碳基对电极具有较高的氧化还原活性，运用本发明专利技术复合碳基对电极于太阳能电池产业，能够在实现降低染料敏化电池的材料成本和制作成本的同时，实现媲美于现有商业铂电极的光电转化效率。本发明专利技术制备工艺相比现有碳基对电极原料低廉、能耗低、制备周期短、绿色环保的优势，并且解决了传统蜡烛燃烧法制得催化层与导电基板之间附着力差的问题以及对于碳基可燃物火焰熏烤工艺参数的敏感度问题，提高了制备工艺的可重复性和一致性，有利于对电极的规模化制备。

A composite carbon based pair electrode for dye sensitized solar cells and its preparation method

The invention discloses a composite carbon base pair electrode for a dye sensitized solar cell and a preparation method thereof, which belong to the technical field of solar cells. In the present invention, the graphite carbon layer and carbon nano particle layer are formed on the surface of the conductive substrate, and the two groups are combined to form a three-dimensional solid structure composite carbon base pair. The invention provides a carbon based composite oxide has higher electrode reducing activity, using the composite of carbon based electrode in solar cell industry, can reduce DSSC material cost and production cost at the same time, the photoelectric conversion efficiency comparable to existing commercial platinum electrode. The preparation process of the invention compared with the existing carbon based electrode of cheap raw materials, low energy consumption, short preparation cycle, green environmental protection advantages, and to solve the traditional candle burning by problems of poor adhesion between the catalyst layer and the conductive substrate and the carbon based fuel flame smoke sensitivity of baking process parameters, improve the system the preparation process of repeatability and consistency, is conducive to the scale of electrode preparation.

【技术实现步骤摘要】
一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极及其制备方法
本专利技术属于太阳能电池
，特别涉及一种用于染料敏化太阳能电池的高效、低成本复合碳基对电极及其制备方法。
技术介绍
清洁能源与绿色环保成为二十一世纪全球最重要的课题。太阳能作为一种取之不尽的可再生能源，具有其他类型能源无法比拟的优点。对于太阳能的高效、低成本开发与利用引起了全球学术界、产业界的高度重视。染料敏化太阳能电池(DSSC)作为一种新型的化学太阳能电池，主要由工作电极、电解质(I-/I3-)和对电极组成。工作电极通常采用纳米多孔半导体电极，工作电极上的染料分子在可见光作用下吸收可见光被激发，电子被染料激发态注入半导体的导带，在纳米多孔半导体薄膜中输运并被导电层收集，最后经由外电路输送至对电极，产生光电流，染料激发态在工作电极上被电解质溶液中I-还原，使得染料获得再生；同时电解质溶液中I3-在对电极上得到电子被还原，从而完成一个光电转换的完整循环。在DSSC中，还原反应发生在电解质与对电极之间的接触面上，对电极作为电池的正极，主要有以下三方面作用：(1).收集和运输电子(即收集电池外回路的电子并将其传递给电解质里面的氧化还原对)；(2).吸附并催化I3；(3).反射透过光(即把从工作电极透过的光反射至光阳极膜，提高太阳光的利用率)；综上可以看出，对电极的特性和在其表面皿发生的还原反应速率极大影响着太阳能电池的性能和效率。故此，本领域希望对电极能够具有高的电催化活性、高的比表面、低的面电阻、高的电子传导率以及高的稳定性。金属铂薄膜因其具有优异的性能而成为DSSC最常用的的对电极材料，然而，由于金属铂的价格十分昂贵，并且金属铂薄膜多采用磁控溅射法制备，限制了其作为对电极薄膜的尺寸，从而不利于金属铂对电极的大规模生产。因此，本领域亟需发展一种可替代的低成本的具有较好催化性能且适于大规模生产的对电极材料。非贵金属对电极中的重要代表——碳基对电极应运而生。碳基对电极是近年兴起的对电极材料，虽然碳基对电极发展迅速，但是在仍然存在与导电玻璃结合力差、容易脱落、制备工艺复杂等问题。现有技术中涉及非贵金属碳基对电极的专利如下文所列：专利一：申请号为201010596987.X的中国专利《石墨烯染料敏化太阳能电池及其生产方法》公开了一种对电极的制备方法，具体内容如下：将基于CVD生长的石墨烯采用旋涂法或者吸附法敷于经清洁、干燥处理后的基底表面，然后将氯铂酸溶于水中并加入NaOH溶液调节pH值为9～13，然后将上述敷有石墨烯导电层的基底置于氯铂酸溶液中，并缓慢加入NaBH4至溶液中NaBH4的浓度为1×10-3mol/L～1×10-1mol/L为止，然后于室温下处理2～4小时，使得还原出的金属铂颗粒吸附于石墨烯电极表面，从而得到石墨烯导电层及石墨烯与金属铂颗粒形成的复合催化剂的对电极。这一方法为多步法，石墨烯的合成需要复杂的工艺，并且制备对电极过程中需要强腐蚀性的溶剂。反应时间长，步骤多，能耗大，限制了工业化生产。专利二：申请号为201110004929.8的中国专利《染料敏化太阳能电池对电极及其制备方法》中公开了一种将碳材料与过渡金属元素单质或化合物为10∶1～1∶10混合后充分研磨形成混合浆料，或者将过渡金属元素化合物配成溶液后浸渍在碳材料上制得浆料；然后将制得浆料采用丝网印刷或者旋涂的方法在导电基底上成膜，而后置于80～120℃干燥1～24小时，再于特定气氛下煅烧0.5～24小时完成氮化处理或者碳化处理，最终制得氮化物/碳或者碳化物/碳的对电极。这一方法仍为多步法，并且干燥与制备过程时间较长，阻碍其工业化生产。专利三：申请号为201110389174.8的中国专利《敏化类太阳能电池的碳/金属复合对电极及其制备方法》中公开了一种将少量噻吩添加至乙醇中，再加入适量金属茂合物，然后将自制的蜡烛芯浸泡在上述溶液中，取出晾干后制得蜡烛，然后采用制得蜡烛火焰熏烤FTO导电基板从而得到碳/金属复合对电极。这一方法需要自制蜡烛芯，制备工序繁杂；此外，所用原料有较大的毒性，会造成环境污染或破坏。专利四：申请号为201110389160.6的中国专利《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》中公开了一种将FTO导电基板在蜡烛火焰中停留一定时间，即制得类洋葱石墨纳米球对电极。这一方法的优势在于操作简单，并且具有一定效果，然而这种方式制得碳膜因直接沉积在FTO基板表面，致使碳颗粒膜在FTO基板上的均一性难以保障，再者碳膜在FTO基板上的粘附力相对较差，更有甚者的是，蜡烛火焰的高度及沉积时间对于制得碳膜对电极的性能影响极大，极小的改变则导致转化性能产生显著差异，因此这一方式的工艺可控性和重复性差，无法实现工业化生产。综上所述，如何在兼顾性能的同时寻找适于工业化生产的对电极材料，降低对电极的材料成本和制作成本，并且解决现有碳基对电极材料与玻璃基板之间附着力差的问题，这将成为本领域亟待解决的难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于：提供一种制作方式简单、工艺可控性和重复性良好且催化性能较好的复合碳基对电极，该复合碳基对电极是由石墨碳层与疏松多孔碳纳米颗粒层形成三维立体结构，运用本专利技术复合对电极于染料敏化太阳能电池能够增强器件的填充因子和光电转化效率。本专利技术为解决上述技术问题，提供如下技术方案：一方面本专利技术提供一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极，其特征在于，其结构为在导电基板上顺次形成的石墨碳层和碳纳米颗粒层，所述碳纳米颗粒具有疏松多孔结构，所述石墨碳层和碳纳米颗粒层构成复合碳基催化层。进一步地，本专利技术中石墨碳层的厚度为5～1000nm。进一步地，本专利技术中碳纳米颗粒层的厚度为1～1000nm。另一方面本专利技术提供一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极的制备方法，其特征在于，包括：在导电基板表面涂覆石墨碳层，然后采用含有碳基可燃物的火焰熏烤所述导电基板，使得石墨碳层上沉积得到碳纳米颗粒层。进一步地，本专利技术中涂覆石墨碳层可以采用现有的各种制作方式，本专利技术中给出一种具体的方案为：采用石墨块诸如普通铅笔芯擦刮或者涂抹制备。进一步地，本专利技术中石墨碳层的厚度为5～1000nm。进一步地，本专利技术中含有碳基可燃物的火焰可以是蜡烛的火焰，也可以是任何可燃有机物(诸如天然气)的火焰。进一步地，本专利技术火焰熏烤过程中，衬底距离火焰的高度为0.5～5cm，火焰熏烤的时间为5～500秒。进一步地，本专利技术中碳纳米颗粒层的厚度为1～1000nm。本专利技术通过在导电基板表面顺次制备石墨碳层和碳纳米颗粒层，形成三维立体结构的复合碳层对电极，碳纳米颗粒层在石墨碳层表面紧密附着，由于碳纳米颗粒填充了石墨碳层之间的空隙，使得复合对电极整体的载流子传输效率得到提高，并且碳纳米颗粒层因其疏松多孔的结构，具有更高的比表面积，使得催化活性有所提升；而石墨碳层作为导电基板与碳纳米颗粒层之间的“过渡层”，能够解决碳纳米颗粒层与导电基板之间附着力差的问题，并且根据本专利技术实施例可以看出，由于石墨碳层的存在降低了复合对电极的性能对于碳基可燃物火焰熏烤的工艺参数的敏感度，提高了制备工艺的可重复性和一致性。本专利技术的有益效果如下：本专利技术提出的三维立体复合碳基对电极具有较高的氧化还原活性，运用本专利技术复合碳基对电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极，其特征在于，其结构为在导电基板上顺次形成的石墨碳层和碳纳米颗粒层，所述碳纳米颗粒具有疏松多孔结构，所述石墨碳层和碳纳米颗粒层构成复合碳基催化层。

【技术特征摘要】
1.一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极，其特征在于，其结构为在导电基板上顺次形成的石墨碳层和碳纳米颗粒层，所述碳纳米颗粒具有疏松多孔结构，所述石墨碳层和碳纳米颗粒层构成复合碳基催化层。2.根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极，其特征在于，所述石墨碳层的厚度为5～1000nm。3.根据权利要求1所述的一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极，其特征在于，所述碳纳米颗粒层的厚度为1～1000nm。4.一种用于染料敏化太阳能电池的复合碳基对电极的制备方法，其特征在于，包括：在导电基板表面涂覆石墨碳层，然后采用含有碳基可燃物的火焰熏烤所述导电基板，使得石墨碳层上沉积...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卓，
申请(专利权)人：陈卓，
类型：发明
国别省市：四川,51