專利名稱：一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料、其制備方法及應(yīng)用的制作方法
—種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料、其制備方法及應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于新型材料及綠色可再生能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備及應(yīng)用。
背景技術(shù)：
1991年，瑞士聯(lián)邦工學(xué)院的Graetzel教授發(fā)明了染料敏化太陽能電池 (Dye-sensitized Solar Cell,簡稱DSC)。由于其成本低廉,制作工藝簡單,效率較高,環(huán)境友好，一經(jīng)問世便引起世界范圍的研究熱潮。DSC主要是由三部分組成，S卩光陽極，通常是吸附有染料的納米晶二氧化鈦薄膜；對電極，通常是鉬電極；還有包含i37r氧化還原電對的電解質(zhì)。其原理是染料吸收一個光子，染料從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，染料激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，產(chǎn)生一個光生電子和染料正離子，光生電子會迅速注入到二氧化鈦的導(dǎo)帶并通過二氧化鈦的多孔結(jié)構(gòu)達(dá)到導(dǎo)電基底，然后流經(jīng)外電路達(dá)到對電極。在對電極上，If被流經(jīng)外電路的電子還原為r，在二氧化鈦多孔膜中，染料正離子被r還原，實(shí)現(xiàn)染料的再生，完成整個電路循環(huán)。由此可見對電極是DSC的重要組成部分，目前主要是用鉬(Pt)作對電極。鉬電極雖然性能優(yōu)越但是價格昂貴，而且鉬的儲量很有限，因此急需尋找鉬的替代材料。發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明公開了一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料、其制備方法以及將其作為對電極材料代替鉬應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的應(yīng)用。本發(fā)明對電極材料的制備方法是以金屬氯化物，酚類物質(zhì)和醛類物質(zhì)生成的酚醛樹脂為碳源，模板劑為三嵌段聚合物，經(jīng)混合、攪拌、燒結(jié)的工藝方法制備而成。這種能代替鉬的材料制備的電極可以催化染料敏化太陽能電池中所涉及的電解液中的氧化還原電對，如Br3-/ Br-及其它的有機(jī)氧化還原電對，及金屬有機(jī)配合物氧化還原電對，能得到很高的光電流和開路電壓及光電轉(zhuǎn)換效率。
本發(fā)明通過下述方法制備，具體步驟包括
(a)按模板劑酚類物質(zhì)乙酸金屬氯化物醛類物質(zhì)的質(zhì)量比為 2. 5 I. 65 0.25 1.0 0. 45 I. 8 I. 35 5. 4 稱取各原料；
(b)將模板劑按2. 5g/30mL的比例溶于乙醇中，攪拌直至完全溶解；
(c)向步驟(b)獲得的混合液中，加入酚類物質(zhì)和乙酸，攪拌30min ；
(d)向步驟(C)獲得的混合液中,加入金屬氯化物,攪拌30min ;
(e)向步驟(d)獲得的混合液中，加入醛類物質(zhì)，攪拌30min后獲得膠狀液體，再經(jīng)過燒結(jié)制得；
其中
模板劑為三嵌段聚合物P123或F127 ；
酚類物質(zhì)為間苯二酚、間苯三酚、苯酚中的一種；
金屬氯化物為下述的一種氯化氧釩，四氯化鈦，四氯化鋯，五氯化鈮，三氯化鉻， 五氯化鑰，六氯化鎢；
醛類物質(zhì)為甲醛或乙醛。
優(yōu)選的，上述方法中的模板劑為三嵌段聚合物F127。
優(yōu)選的，上述方法中的金屬氯化物為氯化氧釩。
優(yōu)選的，上述方法中的酚類物質(zhì)為間苯二酚。
優(yōu)選的，上述方法中的醛類物質(zhì)為甲醛。
優(yōu)選的，上述方法中的燒結(jié)的條件是，于80°C放置3天，在1100°C燒結(jié)5h。
本發(fā)明的另外一方面在于利用上述方法制備的一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料。
本發(fā)明的再一方面在于利用上述方法制備的介孔碳負(fù)載的對電極材料作為染料敏化太陽能電池對電極的應(yīng)用。
通過本發(fā)明中實(shí)施例所述方法制備的介孔碳負(fù)載的碳化釩(以下簡稱VC-MC)材料，可作為對電極材料用于染料敏化太陽能電池，實(shí)驗(yàn)表明，以此種材料為對電極的染料敏化太陽能電池能得到很高的光電流和開路電壓及光電轉(zhuǎn)換效率，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)以鉬材料制備的電極，由于所用材料價格低廉且對電極及電池的制作工藝簡單，解決了鉬電極價格昂貴和資源短缺等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。
本發(fā)明的有益效果
利用本發(fā)明提供的合成技術(shù)可制備一系列低成本可代替鉬用于染料敏化太陽能電池的介孔碳負(fù)載的金屬碳化物。本發(fā)明由于所用材料價格低廉且對電極及電池的制作工藝簡單，解決了鉬電極價格昂貴和資源短缺等問題。


附圖I介孔碳負(fù)載碳化釩的XRD譜如圖2是介孔碳負(fù)載碳化釩的掃描電鏡附圖3是用發(fā)明介孔碳負(fù)載碳化釩對電極與傳統(tǒng)的鉬對電極制備的染料敏化太陽能電池的性能比較。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例。下述非限制性實(shí)施例可以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
F127 PoIyethyIene-polypropyIene glycol, Sigma-aldrich, USA.
FTO 導(dǎo)電玻璃F-doped tin oxide conductive glass, 15 Q/ □, Pilkington, USA.
實(shí)施例I
(一 )介孔碳負(fù)載碳化釩的制備
將2. 5g的三嵌段聚合物F127溶于30mL乙醇中，攪拌直至完全溶解。加入I. 65g 間苯二酹，0. 5g乙酸，攪拌30min。加入0. 9g氯化氧鑰；(VOCl3)，攪拌30min。加入2. 7g甲醛，攪拌30min。將所得膠狀液體，于80°C條件下放置3天，然后在110(TC燒結(jié)5h，既得介孔碳負(fù)載的碳化釩。
(二)介孔碳負(fù)載的碳化釩的表征
介孔碳負(fù)載的碳化釩在常溫常壓下，其為黑色，有金屬光澤的粉末。
X射線衍射(XRD)如圖I所示，23. 6°出現(xiàn)的衍射峰對應(yīng)著介孔碳。其他5個衍射峰(37.28。,43. 38° ,63. 14° ,75.80° ,79. 86° ,73-0476, PDF 2 database)對應(yīng)碳化釩。
圖2是介孔碳負(fù)載的碳化釩的掃描電鏡圖。如圖中所示，呈灰色網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)的的為介孔碳，而鑲嵌在其中的白色立方體為碳化釩粒子。結(jié)合XRD數(shù)據(jù)，說明成功地制備出介孔碳負(fù)載的碳化鑰；。
(三)對電極的制備
(I)利用上述方法合成的介孔碳負(fù)載的碳化釩(以下簡稱VC-MC)作為對電極的制備取500mg的VC-MCJpA 4mL的異丙醇中，超聲分散30min制成漿料。將制備的漿料，用噴槍均勻的噴涂在氟參雜的氧化銦錫(FTO)導(dǎo)電玻璃上，膜厚控制在0. 2 200 iim，在氮?dú)夥諊拢?00°C燒結(jié)30分鐘，制成VC-MC對電極。
(2)Pt對電極的制備用噴涂法把0. 5 〖％的氯鉬酸的異丙醇溶液均勻的涂布在 FTO導(dǎo)電玻璃上，在空氣氛圍下，380°C將電極在管式爐中燒30分鐘，制成Pt對電極。
實(shí)施例2
(一 )制備基于VC-MC和Pt對電極的染料敏化太陽能電池
(I)光陽極的制作在FTO導(dǎo)電玻璃上，用刮涂法將二氧化鈦漿料制備成TiO2薄膜，500°C燒結(jié)30分鐘，冷卻至80°C，在濃度為5x10_4M的釕染料N719中浸泡16小時，制作成光陽極；
(2)電解液為含有的乙腈溶液；即含有0. IM碘化鋰，0.3M 1，2_ 二甲基-3-丙基-咪唑碘，0. 05M碘，和0. 5M叔丁基吡啶的乙腈溶液。
(3)對電極為實(shí)施例I中制作的VC-MC或Pt對電極；
(4)將上述制作的光陽極，對電極進(jìn)行組裝，用沙林膜封裝，然后在在中間夾層注 A電解液，組裝成染料敏化太陽能電池電池。
(二)太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的測試
如圖3所示，圓點(diǎn)和方點(diǎn)分別為介孔碳負(fù)載碳化釩對電極和鉬對電極制作的太陽能電池的電流-電壓曲線，電化學(xué)工作站為Keithley 2601，USA，太陽光模擬光源為 PEC-L15，Peccell，Japan，光源強(qiáng)度為AM I. 5,1 = IOOmff cnT2。方點(diǎn)代表以Pt為對電極的染料敏化太陽能電池的I-V曲線，圓點(diǎn)代表以VC-MC為對電極的染料敏化太陽能電池的I-V 曲線。如表I所示，以VC-MC為對電極的電池的開路電壓與填充因子都比相應(yīng)的以Pt對電極的電池的高。導(dǎo)致以VC-MC為對電極的電池的光電轉(zhuǎn)換效率的7. 63%超過以Pt對電極的電池的7. 50%。由此可以看出VC-MC是一種很有潛力的能夠替代昂貴的鉬電極用作染料敏化太陽能電池對電極的材料。
表I :染料敏化太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換參數(shù)
權(quán)利要求
1.一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下，(a)按模板劑酚類物質(zhì)乙酸金屬氯化物醛類物質(zhì)的質(zhì)量比為2.5 I. 65 0. 25 I. 0 0. 45 I. 8 I. 35 5. 4 稱取各原料；(b)將模板劑按2.5g/30mL的比例溶于乙醇中，攪拌直至完全溶解；(c)向步驟(b)獲得的混合液中，加入酚類物質(zhì)和乙酸，攪拌30min;(d)向步驟(c)獲得的混合液中，加入金屬氯化物，攪拌30min;(e)向步驟(d)獲得的混合液中，加入醛類物質(zhì)，攪拌30min后獲得膠狀液體，再經(jīng)過燒結(jié)制得；其中模板劑為三嵌段聚合物P123或F127 ；酚類物質(zhì)為間苯二酚、間苯三酚、苯酚中的一種；金屬氯化物為下述的一種氯化氧釩，四氯化鈦，四氯化鋯，五氯化鈮，三氯化鉻，五氯化鑰，六氯化鶴；醛類物質(zhì)為甲醛或乙醛。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于模板劑為三嵌段聚合物F127。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于金屬氯化物為氯化氧釩。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于酚類物質(zhì)為間苯二酚。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的方法，其特征在于醛類物質(zhì)為甲醛。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于燒結(jié)的條件是，于80°C放置3天，在 1100°C燒結(jié) 5h。
7.如權(quán)利要求I所述的方法制備的一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料。
8.如權(quán)利要求7所述的介孔碳負(fù)載的對電極材料作為染料敏化太陽能電池對電極的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于染料敏化太陽能電池的對電極材料、其制備方法及應(yīng)用。本發(fā)明對電極材料的制備方法是以金屬氯化物，酚類物質(zhì)和醛類物質(zhì)生成的酚醛樹脂為碳源，模板劑為三嵌段聚合物，經(jīng)混合、攪拌、燒結(jié)的工藝方法制備而成，這種新型材料可作為對電極材料用于染料敏化太陽能電池，實(shí)驗(yàn)表明，以此種材料為對電極的染料敏化太陽能電池能得到很高的光電流和開路電壓及光電轉(zhuǎn)換效率，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)以鉑材料制備的電極，由于所用材料價格低廉且對電極及電池的制作工藝簡單，解決了鉑電極價格昂貴和資源短缺等問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H01L51/48GK102543466SQ20111044925
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月28日
發(fā)明者林逍, 武明星, 王宇迪, 馬廷麗 申請人:大連理工大學(xué), 營口奧匹維特新能源科技有限公司