[发明专利]染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极及其制备方法

说明书

技术领域

染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极及其制备方法，属于太阳能电池技术领域，具体涉及一种应用于染料敏化太阳能电池中的氮掺杂石墨烯对电极及其制备方法。

背景技术

染料敏化太阳能电池由于制作工艺简单、成本低、转换效率高而受到广泛关注。做为染料敏化太阳能电池的主要组成部分，对电极的主要作用是接受外电路来的电子并催化还原电解质中的I₃^-为I^-。目前染料敏化太阳能电池对电极主要是将铂沉积在基底上制备的铂对电极。虽然铂催化活性高，但铂是稀有贵金属，价格太高，而且在含有I^-/I₃^-氧化还原对的电解质中稳定性不好。近年来，出现了采用碳材料和导电聚合物代替铂制备低价对电极报道，但由于碳材料和导电聚合物的催化活性比铂低，因此组装电池的光电转换效率还偏低。石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料。由于其特殊的结构使其具有高的比表面积、电导性、机械强度及稳定性等特点，因此在光电子、能量贮存与转换、电催化等领域引进了人们的极大关注。2011年2月16日公布的CN101976608A中国发明专利公开了一种以纳米结构的、大比表面积的石墨烯为原料，涂覆在玻璃基板上制备石墨烯对电极的方法。但实验证明，采用石墨烯做为染料敏化太阳能电池的对电极，其催化活性并不高。这主要是由于石墨烯本身的缺陷少，催化活性点少造成的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种电催化活性高，稳定性好，价格低廉的染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极及其制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极，包括基底，其特征在于：在所述基底表面上均匀固化有多层氮掺杂石墨烯的薄膜。

所述多层氮掺杂石墨烯膜的层数为2～5层，总厚度为0.1-15微米。可通过控制分散液中氮掺杂石墨烯的浓度或增加涂覆层数来控制基底表面氮掺杂石墨烯膜的厚度。

所述基底为导电玻璃片、ITO导电聚酯片、钛片、透明聚酯片或玻璃片中的一种。当仅涂覆一层氮掺杂石墨烯膜时，可采用导电玻璃片、ITO导电聚酯片或钛片作为基底。当氮掺杂石墨烯的浓度较高或涂覆层数较多时，也可直接采用不导电的普通玻璃片、聚酯片等作为基底。

所述将氮掺杂石墨烯膜固化到基底上的方法包括提拉、旋涂、滴涂、喷涂或印刷。

一种制备上述染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极的方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

1)采用水热法制备氮掺杂石墨烯；

2)将制备好的氮掺杂石墨烯分散到溶剂中，通过超声和搅拌形成均匀稳定的分散液；所述溶剂为水、乙醇、异丙醇、正丁醇中的一种或二种任意比例的混合物；

3)将基底预热至45～90℃，然后将分散液通过提拉、旋涂、滴涂、喷涂或印刷的方法均匀固化到基底表面，并在真空条件下干燥0.5～2小时，干燥温度为50～300℃，制得染料敏化太阳能电池氮掺杂石墨烯对电极。

步骤2)中，所述分散液中氮掺杂石墨烯的浓度为0.1-1.5mg/mL。

优选的，所述分散液中氮掺杂石墨烯的浓度为0.3-1.2mg/mL。

步骤3)中，所述干燥温度为80～200℃。

此外，步骤1)中所述水热法制备氮掺杂石墨烯的具体步骤为：

(1)将30～80mg氧化石墨烯分散到100mL去离子水中，超声分散0.5～1小时，加入氨水1～2ml，调节溶液pH＝10～11；

(2)将上述溶液放入衬有聚四氟乙烯的水热釜中，在100～200℃下，水热反应8～24小时；

(3)自然冷却到室温后，过滤水热釜中的反应液，并用去离子水和乙醇多次冲洗滤出的产物，然后在50℃真空下干燥，制得氮掺杂石墨烯。