[发明专利]使用载催化剂的碳纳米管的光电池及其制造方法

说明书

根据3 5U.S.C.§119(a)，本非临时申请要求2006年7月13日提交的韩 国专利申请No.10-2006-0065835的优先权和所产生的所有利益，该专利申 请的公开内容在此全部引入作为参考。

技术领域

本发明涉及使用载催化剂的碳纳米管的光电池及其制备方法。更具体 地，本发明涉及通过使用含有其上承载的金属催化剂颗粒的碳纳米管，可 以由简单和经济的方法容易地制造的光电池，以及制造其的方法。

背景技术

为了解决目前面临的能源问题，正在积极进行能够取代现有化石燃料 的替代能源的各种研究。尤其是，为了替代最终耗尽的石油资源，已经进 行大量尝试，以发展利用自然能源，例如风能、原子能和太阳能等的方法。

其中，使用太阳能的太阳(光伏)电池引人注目，因为与其它能源形 式不同，太阳能是无限的且环境友好。例如，由于染料敏化光电池可以极 低的成本来制造，其应用得到积极考虑。特别是，染料敏化光电池的结构 包括能够通过吸收光产生的电子并释放电子的光阳极，置于光阳极和阴极 之间电解液层，该电解液充当将粒子传送到光阳极的通道；以及阴极，该 阴极通过在电解液层与阴极之间的固液界面的氧化-还原反应使电子在作 用之后经由外电路返回。在此结构中，阴极包含形成在基底表面上的催化 层(catalytic layer)。催化层的作用是促进氧化-还原反应。因此，优选采 用低制造成本同时显示出高催化活性的原料和方法。在现有技术中，在真 空条件下用沉积法在透明基底上形成阴极催化层，即稀有(precious)催化 金属(如铂或钯)薄膜。但是，用于制备催化金属薄膜或催化金属颗粒的 方法需要大量的催化剂和需要使用昂贵和大尺寸的真空设备进行真空沉积 的附加工序，因此增加了制造成本。此外，该方法还有接触电解液层的反 应表面积小且催化活性有限的缺点。

已披露了一个光电装置，包含带有基底和形成于其上的导电性碳层的 阴极。该装置用导电性碳在阴极形成催化层以克服上述提到的问题，如反 应表面积小、制备成本高、制造工艺差。但是，由于该装置的阴极仅使用 导电性碳作为催化剂，一个缺点就是与使用金属颗粒作为催化剂的阴极相 比，反应活性显著降低。

此外，已公开了包含由碳纤维材料制成的纳米尺度的碳阴极的光电池。 但是，该光电池的转换效率低于使用Pt薄膜的光电池。

发明内容

本发明的一个方面包括提供光电池，该光电池在制造成本和制造工艺 方面可以经济地制造，同时表现出高催化活性。

本发明的另一方面包括提供制备所述光电池的方法。

根据本发明的示例性实施方式，所述光电池包括光阳极，具有载有金 属催化剂颗粒的碳纳米管层的阴极，和安置于光阳极和阴极之间的电解液 层。

光阳极可以包括透明基底，安置于透明基底之上的透明电极，安置于 透明电极上的金属氧化物层，和吸附于氧化物层的染料。

载有金属催化剂颗粒层的碳纳米管层的碳纳米管的平均直径为约1纳 米(nm)至约100纳米(nm)，平均长度为约100nm至约2微米(μm)， 比表面积为约50平方米/克(m²/g)至约1000m²/g，和/或表面电阻为约0.01 欧姆/平方厘米(Ω/cm²)至约100Ω/cm²。此外，可以单独或混合使用具有 多壁、双壁或单壁结构的碳纳米管。

金属催化剂颗粒可以选自铂(Pt)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、 铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铜(Cu)、锌(Zn)、铝(Al)、钼(Mo)、 硒(Se)、锡(Sn)、钌(Ru)、钯(Pd)、钨(W)、铱(Ir)、锇(Os)、铑 (Rh)、铌(Nb)、钽(Ta)、铅(Pb)、铋(Bi)，包含至少一种前述金属的 组合，以及包含至少一种前述金属的合金，该金属催化剂颗粒的平均颗粒 大小约1nm至约10nm。

根据本发明另一示例性实施方式，制备光电池的方法包括通过用载有 金属催化剂颗粒的碳纳米管的溶液涂覆基底以制备阴极；在阴极的对面放 置光阳极；以及在阴极和光阳极之间放置电解液。

碳纳米管层可以使用涂覆方法形成，该涂覆方法选自旋涂，喷涂，丝 网印刷，刮刀涂覆，喷墨和电泳。

该方法还包含在形成后活化碳纳米管层。

发明内容