一种碳基对电极及其制备和在纤维染料敏化太阳能电池中的应用制造技术

本发明专利技术涉及一种碳基对电极及其制备和在纤维染料敏化太阳能电池中的应用，以金属丝作为导电基底，在金属丝表面覆盖一层碳基薄膜，以此作为纤维对电极，应用于纤维染料敏化太阳能电池中，应用方式如下：将纤维对电极与充分吸附了N719(二

【技术实现步骤摘要】
一种碳基对电极及其制备和在纤维染料敏化太阳能电池中的应用


[0001]本专利技术属于光伏
，具体涉及一种碳基对电极及其制备和在纤维染料敏化太阳能电池中的应用。

技术介绍

[0002]随着可穿戴电子产品的蓬勃发展，各类织物成为集成传感器、显示器、麦克风、键盘等功能设备的理想载体，以此所制备的柔性电子织物使人机信息交互更加方便。这种可穿戴的电子纺织器件同时需要便携性和安全性的可持续电源。因此，纤维状光伏器件，即纤维太阳能电池吸引了越来越多的目光。按照工作机理分类，纤维太阳能电池主要有聚合物、钙钛矿以及染料敏化纤维太阳能电池三大体系。相比之下，纤维染料敏化太阳能电池(FDSSC)具有成本低廉、制备简单、效率高等优点，且制备过程无需惰性气氛，应用价值较高。目前，纤维染料敏化太阳能电池常用碳纳米管纤维或金属铂丝作为对电极。碳纳米管纤维(CNT)的纳米结构使其能够有效的催化FDSSC电解液中的氧化还原电对(Small,2015,11, 2963
–
2989)，但CNT的电导率低，不利于载流子的输运，导致随纤维太阳能电池的长度增加，光电转换效率急剧降低，器件性能较差；而金属铂丝虽然具有较高的电导率，但是铂丝表面较为光滑，缺少微纳米粗糙结构，使得活性位点少，对氧化还原电对的催化性能较低，且价格高昂导致了染料敏化太阳能电池制备成本上升。这些问题都严重限制了纤维染料敏化太阳能电池的性能、生产及应用。因此迫切需要开发一种同时具备高电导率和高催化活性的、制备工艺简便、价格低廉的纤维对电极，作为高效催化氧化还原电对，改善载流子传输速度，提高较长尺寸纤维太阳能电池的光电转换效率，确保器件在使用过程性能稳定，推动纤维染料敏化太阳能电池的产业化进程。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种同时具备高电导率和高催化活性的、制备工艺简便、价格低廉的碳基对电极及其制备和在纤维染料敏化太阳能电池中的应用。
[0004]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳基对电极，以金属丝作为导电基底，在金属丝表面覆盖一层碳基薄膜。
[0005]进一步的，所述的金属丝包括纯金属纤维、合金丝、镀金属纤维、金属绕包线；金属丝直径为0.1mm～1mm。
[0006]更进一步的，所述的纯金属包括金、银、铂、铜、钛、或铝；所述的合金丝包括不锈钢。
[0007]进一步的，所述的碳基薄膜的种类为碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、碳纳米管与石墨烯混合薄膜中的一种；当碳基薄膜为碳纳米管薄膜时，碳纳米管外径为 5nm～30nm，长度为0.1μm～50μm；当碳基薄膜为石墨烯薄膜时，石墨烯的尺寸为 0.1μm～20μm。
[0008]本专利技术还提供一种碳基对电极的制备方法，通过连续制备工艺在金属丝表面覆盖一层平整、光滑、致密、具有高催化活性的碳基薄膜，连续制备工艺包括涂覆工艺或绕包工艺。
[0009]具体地，所述的涂覆工艺流程包括放卷、过浆、烘干、收卷，即将市售的碳纳米管分散液为浆料，浆液质量分数为10％
‑
30％，将金属丝放卷，使其穿过浆液，速度为0.5m/min～10m/min，烘干温度为150℃～220℃，薄膜厚度为2μm～50μm；
[0010]所述的绕包工艺流程包括放卷、引线、缠绕、收卷；即将市售碳基薄膜绕包在金属丝表面，缠绕速度为0.5m/min～5m/min，缠绕螺距为50μm～150μm。
[0011]本专利技术还提供一种碳基对电极在纤维染料敏化太阳能电池中的应用，应用方法如下：
[0012]步骤(1)：通过阳极氧化法，在洁净的钛丝表面垂直生长TiO2纳米管阵列，而后在空气气氛下500℃退火，最后浸泡在N719染料溶液中，浸泡时间为 12h～72h，即制备出纤维光阳极；
[0013]步骤(2)：将碳基对电极和纤维光阳极一同放置于柔性透明塑料管中，两电极留出适当长度(一般为1
‑
5cm)于管外，注入以I
‑
/I3‑
作为氧化还原电子对的电解液，用热熔胶密封管口，即制得纤维染料敏化太阳能电池器件。
[0014]进一步地，步骤(1)中钛丝直径为0.1mm～1mm；
[0015]TiO2纳米管的长度为10μm～40μm，外径为120nm～360nm，内径为 80nm～300nm，管壁厚为10nm～60nm。
[0016]进一步地，步骤(2)中柔性透明塑料管的材料为聚乙烯或乙烯与其他单体的共聚物、聚四氟乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚碳酸酯中的一种；塑料管内径为 0.4mm～2mm，管壁厚为0.2mm～1mm。
[0017]进一步地，步骤(2)中电解液的溶剂为乙腈、丙腈、丁腈、戊腈、戊二腈、 3
‑
甲氧基丙腈中的一种或几种混合；
[0018]电解液中的电解质包括碘、碘化锂、1,2
‑
二甲基
‑3‑
丙基碘化咪唑鎓和4
‑
叔丁基吡啶，其中，碘单质的浓度为0.02M～0.2M，碘化锂的浓度为0.02M～1M，1,2
‑ꢀ
二甲基
‑3‑
丙基碘化咪唑鎓的浓度为0.1M～1M，4
‑
叔丁基吡啶的浓度为0.2M～1.5M。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0020]1、本专利技术通过连续制备工艺在金属丝表面覆盖一层平整、光滑、致密、具有高催化活性的碳基薄膜，其中金属丝光滑，导电率高，在其表面通过常规的涂覆工艺和绕包工艺就能附着一层碳基薄膜，制备的碳基对电极同时具备高电导特性和高催化活性，金属丝能够高效传输载流子，碳基薄膜可以催化氧化还原I3‑
/I
‑
电对，从而减少电子空穴对、电子与染料分子和电子与电解质的复合，可以用于制备较大长度的纤维染料敏化太阳能电池，提高了器件性能。
[0021]2、本专利技术的碳基对电极制备工艺简便、所用材料价格低廉，实现了纤维对电极的规模化连续制备，有利于纤维染料敏化太阳能电池的工业化和产业化。
附图说明
[0022]图1中图(a)为本专利技术碳基对电极的制备及在染料敏化太阳能电池中的应用的结
构示意图，图(b)为该太阳能电池中对阳极的结构示意图，图(c)分别为涂覆工艺的示意图，图(d)为绕包工艺的示意图；
[0023]图中标识为：1：金属丝2：碳基薄膜3：光阳极4：电解液5：封装管；
[0024]图2中图(a)为专利技术实施例1所制备的基于涂覆工艺在钛丝基底制备的碳纳米管薄膜对电极收卷后的照片，长度数百米，图2(b
‑
c)为本专利技术实施例1所制备碳纳米管薄膜/钛丝对电极的扫描电子显微镜(SEM)图片；
[0025]图3为本专利技术实施例2所制备的纳米管薄膜/钛丝对电极的扫描电子显微镜 (SEM)图片。其中图(a)是其表面特征，图(b
‑
c)为局部放大图；
[0026]图4为本专利技术实施例1所制备的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳基对电极，其特征在于，以金属丝作为导电基底，在金属丝表面覆盖一层碳基薄膜。2.根据权利要求1所述的一种碳基对电极，其特征在于，所述的金属丝包括纯金属纤维、合金丝、镀金属纤维、金属绕包线；金属丝直径为0.1mm～1mm。3.根据权利要求2所述的一种碳基对电极，其特征在于：所述的纯金属包括金、银、铂、铜、钛、或铝；所述的合金丝包括不锈钢。4.根据权利要求1所述的一种碳基对电极，其特征在于：所述的碳基薄膜的种类为碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、碳纳米管与石墨烯混合薄膜中的一种；当碳基薄膜为碳纳米管薄膜时，碳纳米管外径为5nm～30nm，长度为0.1μm～50μm；当碳基薄膜为石墨烯薄膜时，石墨烯的尺寸为0.1μm～20μm。5.一种如权利要求1所述的碳基对电极的制备方法，其特征在于：通过连续制备工艺在金属丝表面覆盖一层平整、光滑、致密、具有高催化活性的碳基薄膜，连续制备工艺包括涂覆工艺或绕包工艺。6.根据权利要求5所述的碳基对电极的制备方法，其特征在于，所述的涂覆工艺流程包括放卷、过浆、烘干、收卷，涂覆速度为0.5m/min～10m/min，烘干温度为150℃～220℃，薄膜厚度为2μm～50μm；所述的绕包工艺流程包括放卷、引线、缠绕、收卷；缠绕速度为0.5m/min～5m/min，缠绕螺距为50μm～150μm。7.一种如权利要求1所述的碳基对电极在纤维染料敏化太阳能电池中的应用，其特征在于：应用方法如下：步骤(1)：通过阳极氧化法，在洁净的钛丝表面垂直生长TiO2纳米管阵列，而后在空气气氛下500℃退火，最后浸泡在N719染料溶液中，浸泡时间为12h～72h，即制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭慧胜，林正锰，朱正峰，吴景霞，王兵杰，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：