專利名稱：石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，尤其涉及石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池 的光陽極及其制備方法。
背景技術(shù)：
1991年瑞士洛桑高等理工學(xué)院EGdtzeI教授首次報道了染料敏化太陽能電池 (Dye-Sensitized Solar Cell, DSSC)的研究工作(Nature，Vol. 353，737，1991)，這種電池 具有廉價、高效、制作工藝要求低、壽命長的優(yōu)點，為低成本太陽電池的研制開辟了新途徑， 成為近年來太陽能電池領(lǐng)域的研究熱點。染料敏化太陽能電池由光陽極、電解質(zhì)和陰極組成，其中光陽極是由形成于導(dǎo)電 基底上的半導(dǎo)體納米晶膜與其表明吸附的光敏染料組成。染料敏化太陽能電池的工作原理 為當(dāng)染料分子吸收太陽光時，其電子躍遷至激發(fā)態(tài)，由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，染料分子與半導(dǎo) 體發(fā)生相互作用，電子迅速轉(zhuǎn)移至較低能級的半導(dǎo)體導(dǎo)帶，而空穴則留在染料中，電子隨后 擴散至導(dǎo)電基底經(jīng)外電路產(chǎn)生光電流；同時，處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)還原，被氧化 的電解質(zhì)在陰極接受電子還原成基態(tài)，從而完成電子的整個傳輸過程。目前染料敏化太陽能電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破11. 0%，但是要大規(guī)模商 業(yè)化應(yīng)用，該轉(zhuǎn)換效率還需進一步提高。限制染料敏化太陽能電池光電能量轉(zhuǎn)換效率的因 素有很多，其中光生電子在半導(dǎo)體納米晶膜中傳輸時與電解質(zhì)的復(fù)合是最主要的因素。石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結(jié)構(gòu)，呈片 狀結(jié)構(gòu)，也可以稱為石墨烯片。石墨烯具有非常高的電子遷移率，電子在石墨烯中的運動速 度遠遠超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度，因此，將石墨烯復(fù)合到半導(dǎo)體納米晶膜中有 望使上述問題得到改善。國內(nèi)翟錦研究組的工作證實了這個設(shè)想，他們在文獻:ACS Nano, Vol. 4，887，2010中將氧化石墨烯水溶液與TiO2漿料混合超聲均勻后，采用手術(shù)刀方法制 備了 TiO2薄膜，然后將該薄膜置于水合胼蒸汽氛圍中使薄膜中的氧化石墨烯還原，接著用 該薄膜作為光陽極組裝了染料敏化太陽能電池，相對于未復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電 池，這種電池的光電能量轉(zhuǎn)換效率提高了 45%。通過石墨烯與半導(dǎo)體納米晶膜復(fù)合成功地提高了染料敏化太陽能電池的光電能 量轉(zhuǎn)化效率，但是該方法中仍然存在著兩個影響光電能量轉(zhuǎn)換效率的缺點(1)由于石墨 烯是無規(guī)則排列在半導(dǎo)體納米晶顆粒中，所以不能保證光生電子通過這種無規(guī)則排列的石 墨烯最快速地從薄膜轉(zhuǎn)移到外電路，導(dǎo)致不能最大程度地減少光生電子與電解質(zhì)的復(fù)合； (2)石墨烯具有不透明度，單層石墨烯會吸收2. 3%的可見光，因此，薄膜中大量無規(guī)則排 列的石墨烯具有很大的吸光面積，造成電池對光的利用率大幅下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供石墨烯復(fù)合染料敏化太 陽能電池的光陽極及其制備方法，該石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極能夠減少光生電子與電解質(zhì)的復(fù)合，降低石墨烯的吸光面積，從而提高染料敏化太陽能電池的光電能
量轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池 的光陽極，包括透明導(dǎo)電基底、形成在透明導(dǎo)電基底表面的半導(dǎo)體納米晶膜、以及吸附在半 導(dǎo)體納米晶膜表面的染料層，所述的半導(dǎo)體納米晶膜是半導(dǎo)體納米晶顆粒與石墨烯的復(fù)合 薄膜，所述的石墨烯排列在所述的透明導(dǎo)電基底表面，并且所述的石墨烯的片狀面與所述 的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°。為優(yōu)化上述技術(shù)方案，采取的措施還包括上述石墨烯的片狀面與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角優(yōu)選大于30°且小于 150°，進一步優(yōu)選為大于60°且小于120°，最優(yōu)選為90° ；上述透明導(dǎo)電基底包括透明基底和導(dǎo)電層，其中，透明基底是玻璃基底，導(dǎo)電層 是氧化銦錫(ITO)、氧化氟錫(FTO)、氧化銻錫(ΑΤΟ)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎵摻雜的氧化鋅 (ZnO-Ga2O3)和氧化鋁摻雜的氧化鋅(ZnO-Al2O3)中的一種或兩種以上的導(dǎo)電金屬氧化物；上述半導(dǎo)體納米晶顆?？梢允荰i02、ZnO, SnO2或SrTiO3的納米晶顆粒；上述染料層可以是N3染料、N719染料或Z907染料。N3 染料的英文名 RuL2 (NCS)2，其中 L = 2，2' -bipyridine-4,4 acid ；N719 染料的英文名為 RuL2 (NCS) 2:2TBA，其中 L = 2，2 4' -dicarboxylicacid, TBA = tetrabutyIammonium ；Z907染料的英文名為RuLL ‘ (NCS)2,其中L = 2，2'-bipyridyl-4, 4' -dicarboxylic acid, L' =4,4' -dinonyl-2,2‘ bipyridine。 本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極有兩種制備方法，一種制備方法 包括如下步驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然后放入經(jīng)羥基化處理的透明導(dǎo)電基 底，在催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導(dǎo)電基底表面的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)使 片狀結(jié)構(gòu)的石墨烯一端修飾到透明導(dǎo)電基底表面；上述步驟1中優(yōu)選的石墨烯含量為0. 01 10克/升；非水溶劑是N，N’ - 二甲基 甲酰胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜和二乙醚中的一種 或兩種以上的組合物；催化劑是對甲苯磺酸、N，N’_ 二環(huán)己基碳二亞胺、二氯亞砜和4-二甲 胺基吡啶中的一種或兩種以上的組合物；優(yōu)選的加熱溫度為20 150°C，加熱時間為1 48小時；步驟2 將步驟1得到的透明導(dǎo)電基底浸泡在高分子易揮發(fā)溶液中進行超聲誘導(dǎo)， 使石墨烯的片狀面與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°，即片狀結(jié)構(gòu)的石 墨烯立在透明導(dǎo)電基底表面，然后取出進行干燥處理，使溶劑揮發(fā)、高分子固化在透明導(dǎo)電 基底表面形成高分子薄膜，從而使石墨烯的片狀面與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角得以固 定；上述步驟2中優(yōu)選石墨烯的片狀面與所述的透明導(dǎo)電基底表面間的夾角大于 30°且小于150°，進一步優(yōu)選為大于60°且小于120°，最優(yōu)選為90° ；高分子是聚丙烯 酸酯、纖維素酯和聚氨酯中的一種或兩種以上的組合物；優(yōu)選的高分子濃度為0.01 10克/升；步驟3 在步驟2得到的透明導(dǎo)電基底上涂抹半導(dǎo)體納米晶顆粒漿料至適量厚度， 在150 350°C煅燒0. 5 4小時，然后升溫至450°C煅燒0. 5 1小時，以去除高分子及 其他有機物；步驟4 將步驟3得到的透明導(dǎo)電基底浸泡在染料的有機溶液中敏化，使染料分子 吸附在半導(dǎo)體納米晶薄膜上。優(yōu)選的染料濃度為10_5 10_3摩爾/升。本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的另一種制備方法包括如下步 驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然后放入經(jīng)羥基化處理的透明導(dǎo)電基 底，在催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導(dǎo)電基底表面的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)使 片狀結(jié)構(gòu)的石墨烯一端修飾到透明導(dǎo)電基底表面；上述步驟1中優(yōu)選的石墨烯含量為0. 01 10克/升；非水溶劑是N，N’ - 二甲基 甲酰胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜和二乙醚中的一種 或兩種以上的組合物；催化劑是對甲苯磺酸、N，N’_ 二環(huán)己基碳二亞胺、二氯亞砜和4-二甲 胺基吡啶中的一種或兩種以上的組合物；優(yōu)選的加熱溫度為20 150°C，加熱時間為1 48小時；步驟2 將步驟1得到的透明導(dǎo)電基底置于靜電紡絲裝置中，調(diào)節(jié)電壓使石墨烯的 片狀面在靜電力作用下與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°，即片狀結(jié)構(gòu) 的石墨烯立在透明導(dǎo)電基底表面，然后在靜電紡絲裝置的注射器中加入半導(dǎo)體納米晶顆粒 漿料，該半導(dǎo)體納米晶顆粒漿料液滴在重力和靜電力的作用下噴射到透明導(dǎo)電基底上形成 石墨烯復(fù)合的半導(dǎo)體納米晶膜；上述步驟2中優(yōu)選的石墨烯的片狀面與所述的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角大 于30°且小于150°，進一步優(yōu)選為大于60°且小于120°，最優(yōu)選為90° ；優(yōu)選調(diào)節(jié)電壓 至26 36千伏，然后保持該電壓1 5分鐘；步驟3 將步驟2得到的透明導(dǎo)電基底浸泡在染料的有機溶液中敏化，使染料分子 吸附在半導(dǎo)體納米晶薄膜上。優(yōu)選的染料濃度為10_5 10_3摩爾/升。本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極具有如下優(yōu)點(1)充分利用了石墨烯具有非常高的電子遷移率以及二維量子阱的特性，將石墨 烯復(fù)合在半導(dǎo)體納米晶顆粒中，形成光生電子通向透明導(dǎo)電基底的“高速通道”，提高光生 電子在半導(dǎo)體納米晶膜中的傳輸速率，從而減少光生電子與電解質(zhì)的復(fù)合；(2)結(jié)合石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)特點，將上述“高速通道”立在透明導(dǎo)電基底表面，即石 墨烯的片狀面與所述的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°，這種排列方式 有利于進一步提高光生電子在半導(dǎo)體納米晶膜中的傳輸速率、從而進一步減少光生電子與 電解質(zhì)的復(fù)合；另一方面，這種排列方式有利于減少石墨烯對光的吸收面積，從而提高光陽 極的光利用率。上述(2)中，當(dāng)石墨烯越接近豎直立在透明導(dǎo)電基底表面，即石墨烯的片狀面與 所述的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角越接近90°，該“高速通道”的傳輸效率越高，也就是 說，光生電子能夠越快速到達透明導(dǎo)電基底，光生電子與電解質(zhì)的復(fù)合幾率就越低，從而使 光陽極的光電能量轉(zhuǎn)換效率越高；另一方面，當(dāng)石墨烯越接近豎立在透明導(dǎo)電基底表面，石墨烯對光的吸收面積就越低，光陽極的光利用率就越高，從另一方面進一步提高了光陽極 的光電能量轉(zhuǎn)換效率。綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極一 方面提高了光生電子的傳輸速率，使光生電子與電解質(zhì)的復(fù)合幾率降低；另一方面減少了 石墨烯對光的吸收面積，提高了光陽極的光利用率提高。因此，本發(fā)明的光陽極從兩個方面 提高了光陽極的光電能量轉(zhuǎn)換效率，實驗表明，采用本發(fā)明的光陽極的染料敏化太陽能電 池相對于未復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電池以及現(xiàn)有的石墨烯復(fù)合的染料敏化太陽能 電池，光電能量轉(zhuǎn)換效率分別提高了 44. 7%和15. 8%。


圖1 采用本發(fā)明的光陽極的染料敏化太陽能電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 制備本發(fā)明的光陽極時使用的靜電紡絲裝置示意圖；圖3 本發(fā)明的光陽極的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察圖；圖4 實施例1、2和3制備得到的光陽極的光電流與光電壓曲線；圖5 實施例1、2和3制備得到的光陽極在光照開路狀態(tài)下的電化學(xué)阻抗譜圖；圖6 實施例1、2和3制備得到的光陽極敏化前的歸一化紫外可見吸收光譜。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。附圖標記為對陰極1、鍍鉬層2、電解質(zhì)層3、染料層4、石墨烯片5、半導(dǎo)體納米顆 粒6、透明導(dǎo)電玻璃7、注射器8、二氧化鈦漿料9、不銹鋼針頭10、高壓電源11、錫箔12、透明 導(dǎo)電玻璃13、石墨烯片14。如圖1所示，本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極，包括透明導(dǎo)電玻 璃7、排列在透明導(dǎo)電玻璃7表面的石墨烯片5，形成在透明導(dǎo)電玻璃7表面的半導(dǎo)體納米 顆粒6，以及吸附在由石墨烯片5與半導(dǎo)體納米顆粒6復(fù)合形成的半導(dǎo)體納米晶膜表面的染 料層4，圖1中，石墨烯片5的片狀面與透明導(dǎo)電玻璃7表面之間的夾角為90°，即石墨烯 片5豎直立在透明導(dǎo)電玻璃7表面。上述光陽極、與光陽極相對應(yīng)的對陰極1、光陽極與對陰極1之間的電解質(zhì)層3共 同構(gòu)成了石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池。其中，為了催化電解質(zhì)層3的還原，對陰極與光 陽極相對面上有鍍鉬層2。上述石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池工作時，太陽光照射在該染料敏化太陽能電 池上，當(dāng)太陽光進入染料層4被染料分子吸收后，染料分子被激發(fā)，形成光生電子_空穴對， 所激發(fā)的光生電子經(jīng)半導(dǎo)體導(dǎo)帶傳輸至較低能級的石墨烯片5，進而經(jīng)透明導(dǎo)電玻璃6傳 輸至外電路形成電流；同時，空穴則留在染料層4中，處于氧化態(tài)的染料分子被電解質(zhì)層3 還原，而被氧化的電解質(zhì)層3接受經(jīng)對陰極1與鍍鉬層2傳輸而至的光生電子，被還原成基 態(tài)，從而完成光生電子的整個傳輸過程。下述是本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，為對比起 見實施例1是現(xiàn)有的未復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電池的光陽極制備方法；
實施例2是現(xiàn)有的石墨烯復(fù)合的染料敏化太陽能電池的光陽極制備方法；實施例3是本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的一種制備方法；實施例4是本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的另一種制備方法。實施例1 在清洗干凈的氟摻雜的氧化錫導(dǎo)電玻璃上采用手術(shù)刀方法涂抹8微米厚二氧化 鈦薄膜，先在300°C煅燒1小時，再升溫至450°C煅燒半小時；然后降溫至100°C，接著將二 氧化鈦薄膜浸泡到3 X 10_4摩爾/升N719的乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時，即得到未 復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電池的光陽極；實施例2 將2毫升3克/升的氧化石墨烯水溶液與2毫升600克/升二氧化鈦漿料超聲混 合均勻，得到氧化石墨烯與二氧化鈦的混合溶液，采用手術(shù)刀方法在清洗干凈的氟摻雜的 氧化錫導(dǎo)電玻璃上涂抹該混合溶液至二氧化鈦薄膜厚度達到8微米；然后在水合胼蒸汽氛 圍中40°C還原氧化石墨烯24小時，之后在400°C氬氣氛圍中煅燒3小時；接著在300°C空 氣氛圍中煅燒1小時，再接著升溫至450°C煅燒半小時后降溫至100°C ；最后將薄膜浸泡到 3 X ΙΟ"4摩爾/升N719的乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時，即得到現(xiàn)有的石墨烯復(fù)合的 染料敏化太陽能電池的光陽極；實施例3 首先將氟摻雜的氧化錫玻璃進行羥基化處理，本實施例中具體的羥基化處理過程 為將濃度為30%的H2O2與濃度為25% 28%的氨水混合形成混合溶液一，其中H2O2與氨 水的體積比為1 1 ；將濃度為30%的H2O2與濃度為36% 38%的鹽酸混合形成混合溶 液二，其中H2O2與氨水的體積比為1 1 ；將清洗干凈的氟摻雜的氧化錫導(dǎo)電玻璃放入混合 溶液一中，在75°C浸泡5分鐘，然后取出洗滌，烘干后再浸泡到混合溶液二中，在80°C浸泡 5分鐘，取出后洗滌、烘干，得到經(jīng)羥基化處理的氟摻雜的氧化錫玻璃。將上述經(jīng)羥基化處理的氟摻雜的氧化錫玻璃放入石墨烯的N，N’ _ 二甲基甲酰胺 溶液中，該溶液中石墨烯的濃度為0. 1克/升，再加入適量的N，N’ - 二環(huán)己基碳二亞胺后， 將混合溶液升溫至80°C反應(yīng)18小時；接著，將氟摻雜的氧化錫導(dǎo)電玻璃用丙酮洗滌干凈， 浸泡在1克/升的聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液中，超聲5分鐘，取出后立即用電吹風(fēng)吹 干，聚甲基丙烯酸甲酯固化在透明導(dǎo)電玻璃表面形成一層薄膜；然后采用手術(shù)刀方法涂抹 8微米厚二氧化鈦薄膜，先在300°C煅燒1小時，再升溫至450°C煅燒半小時，之后降溫至 100°C;最后將薄膜浸泡到3X 10_4摩爾/升的N719的乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時， 即得到本發(fā)明的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察上述實施例3得到的本發(fā)明的石墨烯復(fù)合 染料敏化太陽能電池的光陽極，如圖3所示，可以看出該光陽極中石墨烯立在導(dǎo)電玻璃表將上述實施例1、2和3制備得到的染料敏化太陽能電池的光陽極分別進行如下性 能測試并比較測試結(jié)果1、在100毫瓦/厘米2(mW/cm2)的模擬太陽光照射下分別測量各光陽極的光電流 與光電壓，得到如圖4所示的光電流與光電壓曲線，結(jié)果如下實施例1、未復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電池的光陽極
開路電壓為597mV，短路電流密度11. 38mA/cm2，光電能量轉(zhuǎn)化效率為3. 74%。實施例2、現(xiàn)有的石墨烯復(fù)合的染料敏化太陽能電池的光陽極開路電壓為604mV，短路電流密度13. 60mA/cm2，光電能量轉(zhuǎn)化效率為4. 67%。實施例3、本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極開路電壓為613mV，短路電流密度13. 81mA/cm2，光電能量轉(zhuǎn)化效率為5. 41%。上述結(jié)果表明本發(fā)明石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極提高了光電能量 轉(zhuǎn)換效率，相對于為復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電池的光陽極，光電能量轉(zhuǎn)換效率提高 了 44. 7% ；相對于現(xiàn)有的石墨烯復(fù)合的染料敏化太陽能電池的光陽極，光電能量轉(zhuǎn)換效率 提高了 15. 8%。2、在光照開路狀態(tài)下分別測量各光陽極的電化學(xué)阻抗譜圖，得到如圖5所示的 Nyquist曲線，其中，實施例1的曲線用圓圈表示，實施例2的曲線用三角表示，實施例3的 曲線極用方塊表示，結(jié)果表明經(jīng)擬合計算，實施例3的光陽極具有最大的光生電子擴散系 數(shù)，即光生電子傳輸最快。3、分別測量各光陽極在敏化前的紫外可見吸收光功率，如圖6所示為各實施例歸 一化后的紫外可見吸收光譜曲線，其中，實施例1的吸收光譜曲線用方塊表示，實施例2的 吸收光譜曲線用圓圈表示，實施例3的吸收光譜曲線用三角表示，結(jié)果表明實施例3的光 陽極比實施例1與2的光陽極具有更低的紫外可見吸收光功率，從而可以提高染料敏化太 陽能電池對光的利用率。實施例4 首先將氟摻雜的氧化錫玻璃進行羥基化處理，本實施例中具體的羥基化處理過程 與實施例3相同。將上述經(jīng)羥基化處理的氟摻雜的氧化錫玻璃放入石墨烯的N，N’ _ 二甲基甲酰胺 溶液中，該溶液中石墨烯的濃度為0. 1克/升，再加入適量的N，N’ - 二環(huán)己基碳二亞胺后， 將混合溶液升溫至80°C反應(yīng)18小時；接著，將透明導(dǎo)電玻璃13用丙酮洗滌干凈后，放置于 如圖2所示的靜電紡絲裝置中，在距離13. 6厘米的不銹鋼針頭10和錫箔12兩端加上30 千伏的高壓，保持1分鐘后，在注射器8中加入3毫升二氧化鈦漿料9，二氧化鈦漿料9的液 滴在重力和靜電力的作用下噴射到透明導(dǎo)電玻璃13上形成8微米厚的石墨烯復(fù)合的半導(dǎo) 體納米晶膜；然后升溫至450°C煅燒半小時，之后降溫至10(TC ；最后將薄膜浸泡到3 X10-4 摩爾/升的N719乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時，即得到本發(fā)明的石墨烯復(fù)合染料敏 化太陽能電池的光陽極。使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察上述實施例4制備得到的本發(fā)明的石墨烯 復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極，結(jié)果類似圖3所示，可以看出該光陽極中石墨烯片14 立在導(dǎo)電玻璃表面。將上述實施例1、2和4制備得到的染料敏化太陽能電池的光陽極分別進行實施例 3中的性能測試并比較測試結(jié)果，各項測試結(jié)果均與實施例3中的結(jié)果相似。
權(quán)利要求
石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極，包括透明導(dǎo)電基底、形成在透明導(dǎo)電基底表面的半導(dǎo)體納米晶膜、以及吸附在半導(dǎo)體納米晶膜表面的染料層，其特征是所述的半導(dǎo)體納米晶膜是半導(dǎo)體納米晶顆粒與石墨烯的復(fù)合薄膜，所述的石墨烯排列在所述的透明導(dǎo)電基底表面，并且所述的石墨烯的片狀面與所述的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征是所述 的石墨烯的片狀面與所述的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角大于30°且小于150°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征是所述 的石墨烯的片狀面與所述的透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角大于60°且小于120°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極，其特征是 所述的半導(dǎo)體納米晶顆粒是Ti02、ZnO, SnO2或SrTiO3的納米晶顆粒；所述的染料層為N3、 N719或Z907 ；所述的透明導(dǎo)電基底包括透明基底和導(dǎo)電層，所述的透明基底是玻璃基底， 所述的導(dǎo)電層是銦摻雜的氧化錫、氟摻雜的氧化錫、銻摻雜的氧化錫、氧化鋅、氧化鎵摻雜 的氧化鋅和氧化鋁摻雜的氧化鋅中的一種或兩種以上的導(dǎo)電金屬氧化物。
5.如權(quán)利要求1所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，其特征 是包括如下步驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然后放入經(jīng)羥基化處理的透明導(dǎo)電基底，在 催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導(dǎo)電基底表面的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)使片狀結(jié) 構(gòu)的石墨烯一端修飾到透明導(dǎo)電基底表面；步驟2 將步驟1得到的透明導(dǎo)電基底浸泡在高分子易揮發(fā)溶液中進行超聲誘導(dǎo)，使石 墨烯的片狀面與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°，取出后進行干燥處理， 使溶劑揮發(fā)、高分子固化在該透明導(dǎo)電基底表面形成高分子薄膜，從而使石墨烯的片狀面 與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角得以固定；步驟3 在步驟2得到的透明導(dǎo)電基底上涂抹半導(dǎo)體納米晶顆粒漿料至適量厚度，在 150 350°C煅燒0. 5 4小時，然后升溫至450°C煅燒0. 5 1小時，以去除高分子及其他 有機物；步驟4 將步驟3得到的透明導(dǎo)電基底浸泡在染料的有機溶液中敏化，使染料分子吸附 在半導(dǎo)體納米晶薄膜上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，其特 征是所述的步驟1中的非水溶劑是N，N’ - 二甲基甲酰胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙 腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜和二乙醚中的一種或兩種以上的組合物；所述的催化劑 是對甲苯磺酸、N，N’ - 二環(huán)己基碳二亞胺、二氯亞砜和4- 二甲胺基吡啶中的一種或兩種以 上的組合物；所述的加熱溫度為20 150°C，加熱時間為1 48小時。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，其特 征是所述的步驟2中石墨烯的片狀面與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角大于60°且小于 120° ；高分子是聚丙烯酸酯、纖維素酯和聚氨酯中的一種或兩種以上的組合物。
8.如權(quán)利要求1所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，其特征 是包括如下步驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然后放入經(jīng)羥基化處理的透明導(dǎo)電基底，在催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導(dǎo)電基底表面的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)使片狀結(jié) 構(gòu)的石墨烯一端修飾到透明導(dǎo)電基底表面；步驟2 將步驟1得到的透明導(dǎo)電基底置于靜電紡絲裝置中，調(diào)節(jié)電壓使石墨烯的片狀 面在靜電力作用下與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180° ；然后在靜電紡絲裝 置的注射器中加入半導(dǎo)體納米晶顆粒漿料，半導(dǎo)體納米晶顆粒漿料液滴在重力和靜電力的 作用下噴射到透明導(dǎo)電基底上形成石墨烯復(fù)合的半導(dǎo)體納米晶膜；步驟3 將步驟2得到的透明導(dǎo)電基底浸泡在染料的有機溶液中敏化，使染料分子吸附 在半導(dǎo)體納米晶薄膜上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，其特 征是所述的步驟1中的非水溶劑是N，N’ - 二甲基甲酰胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙 腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞砜和二乙醚中的一種或兩種以上的組合物；所述的催化劑 是對甲苯磺酸、N，N’ - 二環(huán)己基碳二亞胺、二氯亞砜和4- 二甲胺基吡啶中的一種或兩種以 上的組合物；所述的加熱溫度為20 150°C，加熱時間為1 48小時。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極的制備方法，其 特征是所述的步驟2中石墨烯的片狀面與透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角大于60°且小于 120°。
全文摘要
本發(fā)明公開了石墨烯復(fù)合染料敏化太陽能電池的光陽極及其制備方法。本發(fā)明的光陽極的特點是石墨烯排列在透明導(dǎo)電基底表面，并且石墨烯的片狀面與該透明導(dǎo)電基底表面之間的夾角不等于0°與180°，該夾角最優(yōu)選為90°。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的光陽極不僅可以將光生電子更快速的轉(zhuǎn)移到外電路、盡可能減少電子與電解質(zhì)的復(fù)合，還可以減少石墨烯對光的吸收面積、提高電池的光利用率，因此本發(fā)明的光陽極可以提高光電能量轉(zhuǎn)換效率；相應(yīng)地，采用本發(fā)明的光陽極的染料敏化太陽能電池相對于未復(fù)合石墨烯的染料敏化太陽能電池以及現(xiàn)有的石墨烯復(fù)合的染料敏化太陽能電池，光電能量轉(zhuǎn)換效率分別提高了44.7％和15.8％。
文檔編號H01M14/00GK101901693SQ201010240509
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月29日
發(fā)明者周明, 崔平, 許高杰 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所