[发明专利]掺氮石墨烯量子点及氧化石墨烯修饰碳纳米管对电极薄膜材料的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于能源纳米新功能材料技术领域，具体涉及一种新型碳纳米管薄膜太阳能电池对电极的制备方法，采用光-Fenton法制备掺氮石墨烯量子点，将其作为活性催化剂添加到碳纳米管薄膜中，将该薄膜作为对电极材料应用染料敏化太阳能电池中，显著提高其光电转化效率。

背景技术

随着社会经济的日益发展，能源问题成为制约各国经济发展的首要问题，太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源受到了各国科研工作者的广泛关注，随着纳米技术的日新月异的发展，成为目前新型太阳能技术发展强大的推动力。自从1839年法国科学家 Becquere 发现光伏效应以来, 光电化学研究已经经历了100多年的历史。1954年贝尔实验室的研究人员把PN结引进单晶硅, 发现了光电现象, 并由此开创了硅太阳能电池的研究领域。到20世纪70年代, 用于航天领域的硅太阳能电池的光电转化效率已经超过了25%。在硅太阳能电池之后, 科学家又先后发展了各种新型的太阳能电池, 这些太阳能电池以薄膜太阳能电池为主流，包括硅薄膜型( 非晶硅、单晶硅、多晶硅薄膜)，化合物半导体薄膜型( GaAs、InP、CdS、CdTe 、CuInGaSn)，有机薄膜型等。最新的权威统计数据表明, 单晶硅太阳能电池的光电转化效率已达到24.7%，多晶硅为19.8%，非晶硅为10.1%，CdTe为16.5 %，CIGS为18.4%。

然而目前硅的冶炼存在高耗能，高污染的问题，如生产多晶硅的副产品——四氯化硅是高毒物质。用于倾倒或掩埋四氯化硅的土地将变成不毛之地，存在潜在的极大危险，不仅有毒，还污染环境，回收成本巨大。目前除了以上已经商业化的太阳能电池以外，科学家们仍在致力于研究新的太阳能电池材料和结构。其中一类染料敏化太阳能电池( Dye-Sensitized Solar Cells，简称DSSC)近年来发展迅速。其研究历史可以追溯到20世纪60年代，德国Tributsch发现了染料吸附在半导体上在一定条件下能产生电流。但是直到1991年以前，大多数染料敏化的光电转换效率比较低(<1%)。1991年,瑞士洛桑高等工业学院的Gratzel教授和他的研究小组采用高比表面积的纳米多孔TiO₂膜作半导体电极，以过渡金属Ru等有机化合物作染料，并选用适当的氧化还原电解质研制出一种纳米晶染料敏化太阳能电池，一举突破了光电转化效率7%。1993年Gratzel等人再次报道了光电转化效率达10%的染料敏化纳米太阳能电池。相比于硅基太阳电池，DSSC电池以其低廉的成本、简单的工艺和相对较高的光电转换效率而引起了全世界的广泛关注,并迅速掀起了研究热潮。

目前，DSSC中主要应用具有高效催化活性和相对较低超电势的Pt作为对电极材料，但是其价格昂贵造成制备成本高给DSSC的产业化应用带来一定的障碍，同时Pt在酸性电解液中长时间使用，也会产生电腐蚀现象，影响了DSSC的稳定性和使用寿命。目前碳纳米材料（碳纳米管，石墨烯，富勒烯等）以高导电性、对I₂的抗腐蚀性以及对I^3-还原的高反应活性成为最具吸引力的替代材料，价格相对低廉，有望替代贵金属铂成为DSSC对电极的新型材料。

发明内容

本发明的目的在于立足于具有高活性碳纳米管薄膜对电极材料的制备方法。

本发明首次采用掺氮石墨烯量子点对碳纳米管进行修饰，利用掺氮石墨烯量子点的添加能显著增加碳纳米管薄膜的催化性能，避免了传统制备工艺中通过氧化法提高碳纳米管缺陷的方法所导致的电学性能下降的难题，通过掺氮石墨烯量子点的添加有效实现在薄膜电学性能不改变的情况下，催化性能提高的目的，充分了发挥了碳纳米管高导电性和高催化活性的特性。

基于上述机理，本发明公开的第一个技术方案可概括为：

一种高效碳纳米管薄膜太阳能电池对电极材料的制备方法，其特征在于，在碳纳米管水溶液中添加作为表面活性剂的氧化石墨烯水溶液，两者形成均匀混合液，将掺氮石墨烯量子点添加到所述均匀混合溶液中，再将混合液抽滤成膜，对膜进行退火还原处理即可获得本发明所要制备的碳纳米管薄膜材料。

所述碳纳米管，材料可选用多壁碳纳米管，单壁碳纳米管，石墨烯，富勒烯等，均可用来制备碳纳米薄膜对电极材料。

所述掺氮石墨烯量子点，采用光-Fenton法制备而得，也可以选用本领域已有的其它方法制备而来。

上述碳纳米管对电极薄膜材料的制备方法，具体步骤如下：