專利名稱：染料敏化太陽能電池的聚苯胺納米線正列對電極的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及染料敏化太陽能電池的聚苯胺納米線正列對電極的制備方法。
背景技術(shù)：
自從1991年M.Gratzel教授將納米多孔的概念引入染料敏化寬禁帶TiO2半導(dǎo)體研究中，獲得能量轉(zhuǎn)換效率7.1 %的染料敏化太陽電池(dye-sensitized solar cells,DSSCs)以來(Nature, 1991，353，737)，DSSCs以其低成本、相對簡單的制作工藝、較高的光電轉(zhuǎn)化效率等特點(diǎn)，迅速得到國際上的學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界廣泛關(guān)注。DSSCs主要由染料敏化的多孔半導(dǎo)體納米晶薄膜、電解質(zhì)和對電極組成。染料分子受到光照后激發(fā)，電子注入半導(dǎo)體薄膜的導(dǎo)帶，電子經(jīng)外電路回到對電極，氧化態(tài)的電解質(zhì)組分在對電極上得到電子被還原，還原態(tài)的電解質(zhì)組分?jǐn)U散到半導(dǎo)體薄膜上再還原氧化態(tài)染料，使染料再生，如此循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。在此過程中，減小由于上述還原反應(yīng)在對電極上的能量消耗是十分必要的。因此，作為其中一個(gè)重要組成部分，對電極的催化性能對DSSCs的光電轉(zhuǎn)化效率有著重要的影響。鉬對電極通常采用磁控濺射(Electrochim1.Acta., 2001，46，3457)、以及氯鉬酸熱分解(J.Electrochem.Soc., 1997，144，876)的方法制得，雖然有較好的催化表現(xiàn)和綜合性能，但由于鉬是貴金屬，且制備方法耗能高，這些方法若用于大規(guī)模生產(chǎn)具有明顯的局限性。因此開發(fā)新型非鉬、廉價(jià)、且具有較高催化活性的對電極，是近年來DSSCs領(lǐng)域一個(gè)研究熱點(diǎn)。導(dǎo)電聚合物具有成本低，耐腐蝕、導(dǎo)電性良好等特點(diǎn)，具有較好的電化學(xué)催化活性。近幾年也有不少相關(guān)報(bào)道,如 CoS (J.Am.Chem.Soc., 2009, 131，15976)，TiN(Chem.Comm.，2009，47, 6720)，MoC (Angew.Chem.1nt.Ed., 2011，50，3582)等，都獲得了較高的光電轉(zhuǎn)換效率，但這些方法大多需要繁瑣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或高溫?zé)Y(jié)，制備條件較為苛刻，同樣需要較高的生產(chǎn)成本，因此通過簡單易行的方法制備高效對電極材料具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
針對傳統(tǒng)鉬對電極成本高、耗能大等弊端，本發(fā)明提出一種成本低、耗能小的應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的聚苯胺納米線正列對電極的制備方法。本發(fā)明提出的應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的聚苯胺納米線正列對電極的制備方法，具體步驟為:將一定濃度的苯胺，酸以及氧化劑混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在盛有上述混合液的容器中放入一塊經(jīng)清洗的導(dǎo)電基底，在一定溫度下反應(yīng)一定的時(shí)間，取出導(dǎo)電基底，淋洗干凈后吹干。該導(dǎo)電基底直接作為對電極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池。其中，苯胺的濃度(摩爾濃度)與氧化劑的濃度(摩爾濃度)比為1:10飛0:1，酸的濃度為1-20 M ;反應(yīng)溫度為(TC 70°C，反應(yīng)時(shí)間為2h 48h。
本發(fā)明中，所述氧化劑可為亞鐵鹽或過硫酸銨；酸為鹽酸，硫酸，高氯酸，苯磺酸，酒石酸中的一種；導(dǎo)電基底為導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娋酆衔锬さ炔牧?。本發(fā)明通過氧化聚合的方法制備聚苯胺納米線正列，并原位生長在導(dǎo)電基底上，直接應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，再結(jié)合非腐蝕性的電解質(zhì)可以獲得比熱解鉬對電極更佳的能量轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明工藝簡單，所制備的非鉬對電極不僅催化活性高，且價(jià)格低廉，大大降低了對電極的成本，進(jìn)而降低了染料敏化太陽電池的綜合成本，可應(yīng)用于大規(guī)模染料敏化太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)。


圖1為本發(fā)明聚苯胺納米線正列的掃描電鏡照片。其中，(a), (b)，(c)，(d)，(e)分別為實(shí)施例1，實(shí)施例2，實(shí)施例3，實(shí)施例4，實(shí)施例5制備的聚苯胺納米線對電極的SEM照片。圖2為本發(fā)明聚苯胺納米線正列對電極與熱解鉬對電極組裝的DSSCs比較測試的電流-電壓曲線圖(有效面積為0.2304 cm2)。其中，(a)，(b)，(c)，(d)，(e)分別為實(shí)施例1，實(shí)施例2，實(shí)施例3，實(shí)施例4，實(shí)施例5制備的聚苯胺納米線對電極和熱解鉬對電極組裝的DSSCs比較測試的1-V曲線。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例1
將2 mM苯胺和2 mM過硫酸銨加入1000 mL燒杯中，再加入I mM鹽酸充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在燒杯中放入一塊徹底清洗的FTO導(dǎo)電玻璃，50°C水熱反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導(dǎo)電玻璃，淋洗干凈后吹干。電鏡照片如圖1(a)所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0.2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的電流-電壓(1-V)曲線(圖2曲線I所示)，得到開路光電壓(V0J為760 mV，短路光電流(/J為12.85 mA/cm2，填充因子(/的為0.69，能量轉(zhuǎn)換效率U)為6.73%。電流-電壓曲線如圖2 (a)所示。實(shí)施例2
將6 mM苯胺和9mM過硫酸銨加入1000 mL燒杯中，再加入2 mM苯磺酸充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在燒杯中放入一塊徹底清洗的FTO導(dǎo)電玻璃，10°C水熱反應(yīng)12 h。反應(yīng)結(jié)束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導(dǎo)電玻璃，淋洗干凈后吹干。電鏡照片如圖1(b)所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0.2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的電流-電壓(1-V)曲線(圖2曲線I所示)，得到開路光電壓(KJ為780 mV，短路光電流(Jj為14.16 mA/cm2，填充因子W)為0.68，能量轉(zhuǎn)換效率(7)為7.51%。電流-電壓曲線如圖2 (b)所示。實(shí)施例3
將11 mM苯胺和10 mM過硫酸銨加入1000 mL燒杯中，再加入1.5 mM高氯酸充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在燒杯中放入一塊徹底清洗的FTO導(dǎo)電玻璃，(TC水熱反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導(dǎo)電玻璃，淋洗干凈后吹干。電鏡照片如圖1(c)所示。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0.2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的電流-電壓(1-V)曲線(圖2曲線I所示)，得到開路光電壓(V0J為780 mV，短路光電流(/J為15.33 mA/cm2，填充因子(/的為0.67，能量轉(zhuǎn)換效率U)為8.01%。電流-電壓曲線如圖2 (c)所示。實(shí)施例4
將50 mM苯胺和33 mM過硫酸銨加入1000 mL燒杯中，再加入5 mM酒石酸充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在燒杯中放入一塊徹底清洗的FTO導(dǎo)電玻璃，20°C水熱反應(yīng)24 h。反應(yīng)結(jié)束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導(dǎo)電玻璃，淋洗干凈后吹干。電鏡照片如圖1(d)所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0.2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的電流-電壓(1-V)曲線(圖2曲線I所示)，得到開路光電壓(KJ為780 mV，短路光電流(Jj為14.48 mA/cm2，填充因子W)為0.67，能量轉(zhuǎn)換效率U)為7.37%。電流-電壓曲線如圖2 (d)所示。實(shí)施例5
將200 mM苯胺和100 mM過硫酸銨加入1000 mL燒杯中，再加入5 mM硫酸充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在燒杯中放入一塊徹底清洗的FTO導(dǎo)電玻璃，60°C水熱反應(yīng)48 h。反應(yīng)結(jié)束后水熱釜自然冷卻至室溫，取出導(dǎo)電玻璃，淋洗干凈后吹干。電鏡照片如圖1(e)所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方法將該對電極組裝成DSSCs，電池面積為0.2304 cm2。在AML 5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的電流-電壓(1-V)曲線(圖2曲線I所示)，得到開路光電壓(V0J為750 mV，短路光電流(/J為13.94 mA/cm2，填充因子(/的為0.69，能量轉(zhuǎn)換效率(7)為7.21%。電流-電壓曲線如圖2 (e)所示。比較例I 作為比較，我們還在所有其他條件相同的情況下，采用熱解鉬對電極組裝了 DSSC，在AM 1.5模擬太陽光下測得染料敏化太陽能電池的1-V曲線(圖2曲線3所示)，得到Voc為760 mUsc 為 13.11 mA/cm2，/^* 0.68，n 為 6.75%。按照本發(fā)明實(shí)施例2-5制備的聚苯胺納米線正列對電極，能量轉(zhuǎn)化效率超過了熱解鉬對電極，實(shí)例I制備的聚苯胺納米線對電機(jī)具有和鉬相當(dāng)?shù)哪芰哭D(zhuǎn)化效率。本發(fā)明工藝簡單，原料價(jià)廉易得，制備溫度低，從而大大降低了對電極乃至DSSCs的制造成本，有望應(yīng)用于大規(guī)模DSSCs的生產(chǎn)。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于染料敏化太陽能電池的聚苯胺納米線正列對電極的制備方法，其特征在于，具體步驟為:將一定濃度的苯胺，酸以及氧化劑混合，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝?，在盛有上述混合液的容器中放入一塊經(jīng)清洗的導(dǎo)電基底，在一定溫度下反應(yīng)一定的時(shí)間，取出導(dǎo)電基底，淋洗干凈后吹干，直接作為對電極應(yīng)用于染料敏化太陽能電池； 其中，苯胺的濃度與氧化劑的濃度比為1:1飛0:1，酸的濃度為1-20 M，反應(yīng)溫度為(TC 70°C，反應(yīng)時(shí)間為2h 48h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于氧化劑為亞鐵鹽或過硫酸銨；酸為鹽酸，硫酸，高氯酸，苯磺酸，酒石酸中的一種；導(dǎo)電基底為導(dǎo)電玻璃或?qū)щ娋酆衔锬ぁ?br> 全文摘要
本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體為染料敏化太陽能電池的聚苯胺納米線正列對電極的制備方法。本發(fā)明通過氧化聚合的方法制備聚苯胺納米線正列，并原位生長在導(dǎo)電基底上，直接應(yīng)用于染料敏化太陽能電池，再結(jié)合非腐蝕性的電解質(zhì)可以獲得比熱解鉑對電極更佳的能量轉(zhuǎn)化效率。本發(fā)明工藝簡單，所制備的非鉑對電極不僅催化活性高，且價(jià)格低廉，大大降低了對電極的成本，進(jìn)而降低了染料敏化太陽電池的綜合成本，可應(yīng)用于大規(guī)模染料敏化太陽能電池的工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01G9/042GK103151172SQ20131007276
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月7日
發(fā)明者王忠勝, 王鴻 申請人:復(fù)旦大學(xué)