專利名稱：碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太陽電池，尤其涉及一種染料敏化太陽電池。
背景技術：
近年來，隨著傳統(tǒng)的諸如煤炭、石油等不可再生能源面臨枯竭，溫室效應等環(huán)境問題越演越烈，全球對可再生能源和綠色能源的需求也日益迫切。作為重要的綠色能源之一，太陽能吸引了眾多研究者的目光。目前，在已開發(fā)的各種太陽電池中，硅太陽電池轉換效率高，但其工藝復雜且會污染環(huán)境、價格昂貴且材料要求苛刻，因此難以普及。而另一種太陽電池——染料敏化太陽電池以其低廉的成本、簡單的工藝以及環(huán)保等一系列優(yōu)勢，吸引了學術界和工業(yè)界越來越多關注。 然而，染料敏化太陽電池的效率與硅太陽電池相比仍較低，這主要是由于納米晶半導體中存在大量的表面態(tài)，導帶中的電子很容易被表面態(tài)陷阱俘獲，故而大大的增加了與氧化態(tài)電解質復合的幾率，從而抑制了光電轉化效率的提高。 針對現(xiàn)有技術所存在的問題，本案設計人憑借從事此行業(yè)多年的實驗經(jīng)驗，積極研究改良，提出了本發(fā)明碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極及其制備方法的技術方案。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術存在的缺陷提供一種可以提高光電轉換效率、加快電子傳輸及延長電子壽命的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極。 本發(fā)明的進一步的目的是針對現(xiàn)有技術存在的缺陷提供一種可以提高光電轉換效率、加快電子傳輸及延長電子壽命的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極的制備方法。 為達到本發(fā)明的第一目的，本發(fā)明采用如下技術方案上述碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極包括呈面向設置的光陽極、對電極以及光陽極和對電極之間的染料敏化劑與電解質組成。其中，光陽極由第一導電玻璃和形成于第一導電玻璃且面向對電極的納米晶氧化物/多壁碳納米管復合薄膜構成。而對電極由第二導電玻璃和形成于第二導電玻璃上的面向于光陽極的鉑電極構成。
本發(fā)明提供的上述染料敏化太陽電池電極的制備方法包括如下步驟
A.導電玻璃的前期清洗處理 將光陽極的第一導電玻璃分別以次序用丙酮、酒精、去離子水進行超聲波清洗，每次清洗時間分別為10 30分鐘，然后用干燥過濾后的空氣吹干；
B.導電玻璃的預燒結 將吹干后的第一導電玻璃置于初始溫度為80°C 12(TC的平板爐上，以0. 5°C 1. 5°C /分鐘的速率升溫至450°C 51(TC，并保溫30分鐘，然后隨爐溫自然冷卻至初始溫度；
C.納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的絲網(wǎng)印刷 用絲網(wǎng)印刷機在已經(jīng)進過預燒結處理的第一導電玻璃上用多壁碳納米管摻雜的半導體氧化物漿料印刷3 4次，然后平置，所述的納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜是優(yōu)選的多壁碳納米管均勻摻雜的小顆粒半導體氧化物漿料印刷而成；
D.外加平行電場 將印刷上多壁碳納米管摻雜的半導體氧化物漿料的第一導電玻璃平置于銅制架子上，通10 30V直流電5 30分鐘，然后立刻將印刷有多壁碳納米管摻雜的半導體氧化物漿料的第一導電玻璃，放置在初始溫度為80°C 12(TC的平板爐上烘干；
E.納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的燒結 烘干后的印刷有納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的第一導電玻璃平置于平板爐上，由初始溫度以O. 5°C 1. 5tV分鐘的速率升溫至30(TC 40(TC，停留10 30分鐘，然后迅速升溫至450°C 51(TC，并保溫10 60分鐘，然后隨爐溫自然冷卻至初始溫度。
上述半導體氧化物漿料含Ti02、 ZnO、 Sn02、 Nb203顆粒中的一種。本發(fā)明優(yōu)先采用1102漿料。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點碳納米管具有良好的電子導電性，碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極光照后，納米復合薄膜電極產(chǎn)生的電子可以通過碳納米管迅速傳至FTO導電玻璃表面，有效地抑制了光生電子空穴對的復合，從而提高了光生載流子的分離效率?？涩F(xiàn)有技術制備的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極中的碳納米管，在電極中呈現(xiàn)無序狀態(tài)。為了克服這個問題，本發(fā)明在制備電極的過程中進行了外加電場的處理，使碳納米管定向有序，可以在1102薄膜中豎直或接近豎直狀態(tài)，從而明顯提高染料敏化太陽電池的光電流，加快電子傳輸，延長電子壽命，并能使光電轉換效率得以進一步的提高。
附圖表說明

圖1為本發(fā)明碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極結構示意圖。 圖2為本發(fā)明碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極外加平行電場過程示意圖。 圖3為染料敏化太陽電池的I-V特性曲線示意圖。 圖3中，方形線形沒有碳納米管摻雜沒有外加平行電場處理的染料敏化太陽電池的I-V特性曲線示意圖；圓形線形碳納米管摻雜的沒有外加平行電場處理的染料敏化太陽電池的I-V特性曲線示意圖；三角線形碳納米管摻雜的經(jīng)過外加平行電場處理的染
料敏化太陽電池的i-v特性曲線示意圖。
具體實施例方式
為詳細說明本發(fā)明的技術內容、構造特征、所達成目的及功效，下面將結合實例并配合圖示予以詳細說明。 圖1所示的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極，它包括呈面向設置的光陽極1、對電極2以及光陽極1和對電極2之間的染料敏化劑3與電解質4組成。其中，光陽極1由第一導電玻璃11和形成于第一導電玻璃且面向對電極的納米晶氧化物/多壁碳納米管復合薄膜12構成。而對電極由第二導電玻璃21和形成于第二導電玻璃上的面向于光陽極
現(xiàn)將本發(fā)明的實例敘述于后
本發(fā)明的實例具體步驟如下
A.導電玻璃的前期清洗處理 將光陽極的第一導電玻璃分別以次序用丙酮、酒精、去離子水進行超聲波清洗，每次清洗時間分別為20分鐘，然后用干燥過濾后的空氣吹干；
B.導電玻璃的預燒結 將吹干后的第一導電玻璃置于初始溫度為12(TC的平板爐上，以0. 5°C 1. 5°C /分鐘的速率升溫至510°C ，并保溫30分鐘，然后隨爐溫自然冷卻至初始溫度；
C.納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的絲網(wǎng)印刷 用絲網(wǎng)印刷機在已進過預燒結處理的第一導電玻璃上用多壁碳納米管摻雜的半導體納米Ti02漿料印刷3 4次，然后平置，所述的納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜是優(yōu)選的多壁碳納米管均勻摻雜的小顆粒半導體納米氧化物漿料印刷而成；
D.外加平行電場 將印刷上多壁碳納米管摻雜的半導體納米氧化物漿料的第一導電玻璃平置于銅制架子上，通13V直流電15分鐘，然后立刻將印刷有多壁碳納米管摻雜的半導體納米氧化物漿料的第一導電玻璃，放置在初始溫度為12(TC的平板爐上烘干；
E.納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的燒結 烘干后的印刷有納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的第一導電玻璃平置于平板爐上，由初始溫度以O. 5°C 1. 5°C /分鐘的速率升溫至40(TC，停留20分鐘，然后迅速升溫至510°C ，并保溫60分鐘，然后隨爐溫自然冷卻至初始溫度。 參閱圖1與圖2，并結合圖3，本發(fā)明碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池的工作原理是當吸附在納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜12上的染料敏化劑分子3吸收光子后，染料分子的電子從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，并注入Ti02的導帶，并通過Ti02把電子收集到碳納米管上，通過碳納米管傳輸?shù)降谝粚щ姴Ａ?1 ，經(jīng)過外電路傳輸?shù)綄﹄姌O2上。同時，失去電子處于氧化態(tài)的染料敏化劑分子3被電解質離子4還原，而電解質4中的氧化還原對將空穴傳輸?shù)綄﹄姌O2與電子復合，完成一個循環(huán)。可傳統(tǒng)的納米晶氧化物/碳納米管薄膜12中的碳納米管的取向是無序的，而在制備過程中經(jīng)過本發(fā)明的的外加平行電場處理，可有效的克服取向的無序性。在平行電場下，碳納米管在電場方向產(chǎn)生取向扭轉和誘導力，使碳納米管定向垂直于第一導電玻璃ll，從而加快了電子傳輸。未碳納米管摻雜的樣品傳輸時間為3. 02毫秒，碳納米管摻雜但未外加平行電場處理的樣品傳輸時間為2. 97毫秒，而碳納米管摻雜的經(jīng)過了外加平行電場處理的樣品傳輸時間進一步加快到2. 24毫秒，傳輸時間縮短26%，電子傳輸明顯加快。同時，本發(fā)明的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池也減少了復合幾率，減小了內部阻抗，延長了電子壽命。碳納米管摻雜但未外加平行電場處理的樣品的電子壽命為43. 7毫秒，而本發(fā)明的碳納米管摻雜的經(jīng)過了外加平行電場處理的樣品的電子壽命為60.3毫秒，增幅達到客觀的38%，有明顯的延長電子壽命的效果。最終，在染料敏化太陽電池的I-V特性曲線示意圖上綜合表現(xiàn)為電流從9. 45毫安每平方厘米(方形線形)增加到10. 71毫安每平方厘米(三角線形)；填充因子FF從0. 59 (方形線形)增大到0.64(三角線形)，光電轉換效率從4.28% (方形線形)增大到5.13% (三角線形)，顯著提高了 20%。 本領域技術人員均應了解，在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，可以對本發(fā)明進行各種修改和變型。因而，如果任何修改和變型落入所附權利要求書以及等同物的保護范圍內時，認為本發(fā)明涵蓋這些修改和變型。
權利要求
一種碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極，它包括呈平行設置的光陽極、對電極以及光陽極和對電極之間的染料敏化劑與電解質組成。其中，光陽極由第一導電玻璃和形成于第一導電玻璃且面向對電極的納米晶氧化物/多壁碳納米管復合薄膜構成。而對電極由第二導電玻璃和形成于第二導電玻璃上的面向于光陽極的鉑電極構成。
2. 根據(jù)權利要求1所述的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極，其特征是納米晶 氧化物薄膜中，多壁碳納米管摻雜均勻，且取向有序。
3. —種權利要求1所述的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極的制備方法，其特征 在于該方法具有以下的步驟A. 導電玻璃的前期清洗處理將光陽極的第一導電玻璃分別以次序用丙酮、酒精、去離子水進行超聲波清洗，每次清 洗時間分別為10 30分鐘，然后用干燥過濾后的空氣吹干；B. 導電玻璃的預燒結將吹干后的第一導電玻璃置于初始溫度為80°C 12(TC的平板爐上，以0.5°C 1. 5°C /分鐘的速率升溫至450°C 51(TC，并保溫30分鐘，然后隨爐溫自然冷卻至初始溫 度；C. 納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的絲網(wǎng)印刷用絲網(wǎng)印刷機在已進過預燒結處理的第一導電玻璃上用多壁碳納米管摻雜的半導體 納米氧化物漿料印刷3 4次，然后平置；D. 外加平行電場將印刷上多壁碳納米管摻雜的半導體納米氧化物漿料的第一導電玻璃平置于銅制架 子上，通10 30V直流電5 30分鐘，然后立刻將印刷有多壁碳納米管摻雜的半導體氧化 物漿料的第一導電玻璃，放置在初始溫度為80°C 12(TC的平板爐上烘干；E. 納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的燒結烘干后的印刷有納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的第一導電玻璃平置于平板爐上， 由初始溫度以0. 5°C 1. 5°C /分鐘的速率升溫至300°C 40(TC，停留10 30分鐘，然后 迅速升溫至450°C 510°C，并保溫10 60分鐘，然后隨爐溫自然冷卻至初始溫度。
4. 根據(jù)權利要求2所述的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極，其特征是，上述半 導體納米氧化物漿料含Ti02、 ZnO、 Sn02、 Nb203顆粒中的一種。
5. 根據(jù)權利要求3所述的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極，其特征是，上述半 導體氧化物漿料含Ti02、 Zn0、 Sn02、 Nb203顆粒中的一種。
全文摘要
本發(fā)明公開一種碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極及其制備方法，該電極由呈面向設置的光陽極、對電極以及光陽極和對電極之間的染料敏化劑與電解質組成。其中，光陽極包括第一導電玻璃電極、納米氧化物薄膜、多壁碳納米管；而對電極包括第二導電玻璃電極與鉑電極。該電極的制備方法包括A、導電玻璃電極的前期清洗處理；B、導電玻璃電極的預燒結；C、納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的絲網(wǎng)印刷；D、外加平行電場；E、納米晶氧化物/多壁碳納米管薄膜的燒結制備。通過上述方法制備的碳納米管摻雜的染料敏化太陽電池電極具有較好的電化學特性，能明顯增大光電流，加快電子傳輸，延長電子壽命，并顯著提高光電轉換效率。
文檔編號H01G9/04GK101752105SQ20101002310
公開日2010年6月23日 申請日期2010年1月21日 優(yōu)先權日2010年1月21日
發(fā)明者劉志勇, 周文謙, 王艷芳, 蔡傳兵, 金曉艷, 魯玉明 申請人:上海大學