石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極及其製備方法

2023-06-10 12:11:36

專利名稱：石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極及其製備方法
技術領域：
本發明涉及染料敏化太陽能電池領域，尤其涉及石墨烯複合染料敏化太陽能電池 的光陽極及其製備方法。
背景技術：
1991年瑞士洛桑高等理工學院EGdtzeI教授首次報導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、製作工藝要求低、壽命長的優點，為低成本太陽電池的研製開闢了新途徑， 成為近年來太陽能電池領域的研究熱點。染料敏化太陽能電池由光陽極、電解質和陰極組成，其中光陽極是由形成於導電 基底上的半導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 為當染料分子吸收太陽光時，其電子躍遷至激發態，由於激發態不穩定，染料分子與半導 體發生相互作用，電子迅速轉移至較低能級的半導體導帶，而空穴則留在染料中，電子隨後 擴散至導電基底經外電路產生光電流；同時，處於氧化態的染料分子被電解質還原，被氧化 的電解質在陰極接受電子還原成基態，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換效率已經突破11. 0%，但是要大規模商 業化應用，該轉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換效率的因 素有很多，其中光生電子在半導體納米晶膜中傳輸時與電解質的複合是最主要的因素。石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構，呈片 狀結構，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體中的運動速度，因此，將石墨烯複合到半導體納米晶膜中有 望使上述問題得到改善。國內翟錦研究組的工作證實了這個設想，他們在文獻:ACS Nano, Vol. 4，887，2010中將氧化石墨烯水溶液與TiO2漿料混合超聲均勻後，採用手術刀方法制 備了 TiO2薄膜，然後將該薄膜置於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，相對於未複合石墨烯的染料敏化太陽能電 池，這種電池的光電能量轉換效率提高了 45%。通過石墨烯與半導體納米晶膜複合成功地提高了染料敏化太陽能電池的光電能 量轉化效率，但是該方法中仍然存在著兩個影響光電能量轉換效率的缺點(1)由於石墨 烯是無規則排列在半導體納米晶顆粒中，所以不能保證光生電子通過這種無規則排列的石 墨烯最快速地從薄膜轉移到外電路，導致不能最大程度地減少光生電子與電解質的複合； (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。

發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術中的不足，提供石墨烯複合染料敏化太 陽能電池的光陽極及其製備方法，該石墨烯複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的複合，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
量轉換效率。本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為石墨烯複合染料敏化太陽能電池 的光陽極，包括透明導電基底、形成在透明導電基底表面的半導體納米晶膜、以及吸附在半 導體納米晶膜表面的染料層，所述的半導體納米晶膜是半導體納米晶顆粒與石墨烯的複合 薄膜，所述的石墨烯排列在所述的透明導電基底表面，並且所述的石墨烯的片狀面與所述 的透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°。為優化上述技術方案，採取的措施還包括上述石墨烯的片狀面與透明導電基底表面之間的夾角優選大於30°且小於 150°，進一步優選為大於60°且小於120°，最優選為90° ；上述透明導電基底包括透明基底和導電層，其中，透明基底是玻璃基底，導電層 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電金屬氧化物；上述半導體納米晶顆粒可以是Ti02、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。 本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極有兩種製備方法，一種製備方法 包括如下步驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然後放入經羥基化處理的透明導電基 底，在催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導電基底表面的羥基發生酯化反應使 片狀結構的石墨烯一端修飾到透明導電基底表面；上述步驟1中優選的石墨烯含量為0. 01 10克/升；非水溶劑是N，N』 - 二甲基 甲醯胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞碸和二乙醚中的一種 或兩種以上的組合物；催化劑是對甲苯磺酸、N，N』_ 二環己基碳二亞胺、二氯亞碸和4-二甲 胺基吡啶中的一種或兩種以上的組合物；優選的加熱溫度為20 150°C，加熱時間為1 48小時；步驟2 將步驟1得到的透明導電基底浸泡在高分子易揮發溶液中進行超聲誘導， 使石墨烯的片狀面與透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°，即片狀結構的石 墨烯立在透明導電基底表面，然後取出進行乾燥處理，使溶劑揮發、高分子固化在透明導電 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電基底表面之間的夾角得以固 定；上述步驟2中優選石墨烯的片狀面與所述的透明導電基底表面間的夾角大於 30°且小於150°，進一步優選為大於60°且小於120°，最優選為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得到的透明導電基底上塗抹半導體納米晶顆粒漿料至適量厚度， 在150 350°C煅燒0. 5 4小時，然後升溫至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 吸附在半導體納米晶薄膜上。優選的染料濃度為10_5 10_3摩爾/升。本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的另一種製備方法包括如下步 驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然後放入經羥基化處理的透明導電基 底，在催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導電基底表面的羥基發生酯化反應使 片狀結構的石墨烯一端修飾到透明導電基底表面；上述步驟1中優選的石墨烯含量為0. 01 10克/升；非水溶劑是N，N』 - 二甲基 甲醯胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞碸和二乙醚中的一種 或兩種以上的組合物；催化劑是對甲苯磺酸、N，N』_ 二環己基碳二亞胺、二氯亞碸和4-二甲 胺基吡啶中的一種或兩種以上的組合物；優選的加熱溫度為20 150°C，加熱時間為1 48小時；步驟2 將步驟1得到的透明導電基底置於靜電紡絲裝置中，調節電壓使石墨烯的 片狀面在靜電力作用下與透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°，即片狀結構 的石墨烯立在透明導電基底表面，然後在靜電紡絲裝置的注射器中加入半導體納米晶顆粒 漿料，該半導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電基底上形成 石墨烯複合的半導體納米晶膜；上述步驟2中優選的石墨烯的片狀面與所述的透明導電基底表面之間的夾角大 於30°且小於150°，進一步優選為大於60°且小於120°，最優選為90° ；優選調節電壓 至26 36千伏，然後保持該電壓1 5分鐘；步驟3 將步驟2得到的透明導電基底浸泡在染料的有機溶液中敏化，使染料分子 吸附在半導體納米晶薄膜上。優選的染料濃度為10_5 10_3摩爾/升。本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極具有如下優點(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 烯複合在半導體納米晶顆粒中，形成光生電子通向透明導電基底的「高速通道」，提高光生 電子在半導體納米晶膜中的傳輸速率，從而減少光生電子與電解質的複合；(2)結合石墨烯的片狀結構特點，將上述「高速通道」立在透明導電基底表面，即石 墨烯的片狀面與所述的透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°，這種排列方式 有利於進一步提高光生電子在半導體納米晶膜中的傳輸速率、從而進一步減少光生電子與 電解質的複合；另一方面，這種排列方式有利於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，當石墨烯越接近豎直立在透明導電基底表面，即石墨烯的片狀面與 所述的透明導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電基底，光生電子與電解質的複合機率就越低，從而使 光陽極的光電能量轉換效率越高；另一方面，當石墨烯越接近豎立在透明導電基底表面，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 的光電能量轉換效率。綜上所述，與現有技術相比，本發明石墨烯複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的複合機率降低；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，本發明的光陽極從兩個方面 提高了光陽極的光電能量轉換效率，實驗表明，採用本發明的光陽極的染料敏化太陽能電 池相對於未複合石墨烯的染料敏化太陽能電池以及現有的石墨烯複合的染料敏化太陽能 電池，光電能量轉換效率分別提高了 44. 7%和15. 8%。


圖1 採用本發明的光陽極的染料敏化太陽能電池結構示意圖；圖2 製備本發明的光陽極時使用的靜電紡絲裝置示意圖；圖3 本發明的光陽極的場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察圖；圖4 實施例1、2和3製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製備得到的光陽極在光照開路狀態下的電化學阻抗譜圖；圖6 實施例1、2和3製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合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。附圖標記為對陰極1、鍍鉬層2、電解質層3、染料層4、石墨烯片5、半導體納米顆 粒6、透明導電玻璃7、注射器8、二氧化鈦漿料9、不鏽鋼針頭10、高壓電源11、錫箔12、透明 導電玻璃13、石墨烯片14。如圖1所示，本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極，包括透明導電玻 璃7、排列在透明導電玻璃7表面的石墨烯片5，形成在透明導電玻璃7表面的半導體納米 顆粒6，以及吸附在由石墨烯片5與半導體納米顆粒6複合形成的半導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豎直立在透明導電玻璃7表面。上述光陽極、與光陽極相對應的對陰極1、光陽極與對陰極1之間的電解質層3共 同構成了石墨烯複合染料敏化太陽能電池。其中，為了催化電解質層3的還原，對陰極與光 陽極相對面上有鍍鉬層2。上述石墨烯複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，當太陽光進入染料層4被染料分子吸收後，染料分子被激發，形成光生電子_空穴對， 所激發的光生電子經半導體導帶傳輸至較低能級的石墨烯片5，進而經透明導電玻璃6傳 輸至外電路形成電流；同時，空穴則留在染料層4中，處於氧化態的染料分子被電解質層3 還原，而被氧化的電解質層3接受經對陰極1與鍍鉬層2傳輸而至的光生電子，被還原成基 態，從而完成光生電子的整個傳輸過程。下述是本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，為對比起 見實施例1是現有的未複合石墨烯的染料敏化太陽能電池的光陽極製備方法；
實施例2是現有的石墨烯複合的染料敏化太陽能電池的光陽極製備方法；實施例3是本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的一種製備方法；實施例4是本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的另一種製備方法。實施例1 在清洗乾淨的氟摻雜的氧化錫導電玻璃上採用手術刀方法塗抹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；然後降溫至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 複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，採用手術刀方法在清洗乾淨的氟摻雜的 氧化錫導電玻璃上塗抹該混合溶液至二氧化鈦薄膜厚度達到8微米；然後在水合胼蒸汽氛 圍中40°C還原氧化石墨烯24小時，之後在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煅燒半小時後降溫至100°C ；最後將薄膜浸泡到 3 X ΙΟ"4摩爾/升N719的乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時，即得到現有的石墨烯複合的 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 ；將清洗乾淨的氟摻雜的氧化錫導電玻璃放入混合 溶液一中，在75°C浸泡5分鐘，然後取出洗滌，烘乾後再浸泡到混合溶液二中，在80°C浸泡 5分鐘，取出後洗滌、烘乾，得到經羥基化處理的氟摻雜的氧化錫玻璃。將上述經羥基化處理的氟摻雜的氧化錫玻璃放入石墨烯的N，N』 _ 二甲基甲醯胺 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』 - 二環己基碳二亞胺後， 將混合溶液升溫至80°C反應18小時；接著，將氟摻雜的氧化錫導電玻璃用丙酮洗滌乾淨， 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，取出後立即用電吹風吹 幹，聚甲基丙烯酸甲酯固化在透明導電玻璃表面形成一層薄膜；然後採用手術刀方法塗抹 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，之後降溫至 100°C;最後將薄膜浸泡到3X 10_4摩爾/升的N719的乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時， 即得到本發明的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極。使用場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察上述實施例3得到的本發明的石墨烯複合 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電玻璃表將上述實施例1、2和3製備得到的染料敏化太陽能電池的光陽極分別進行如下性 能測試並比較測試結果1、在100毫瓦/釐米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，結果如下實施例1、未複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，光電能量轉化效率為3. 74%。實施例2、現有的石墨烯複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，光電能量轉化效率為4. 67%。實施例3、本發明石墨烯複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，光電能量轉化效率為5. 41%。上述結果表明本發明石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極提高了光電能量 轉換效率，相對於為複合石墨烯的染料敏化太陽能電池的光陽極，光電能量轉換效率提高 了 44. 7% ；相對於現有的石墨烯複合的染料敏化太陽能電池的光陽極，光電能量轉換效率 提高了 15. 8%。2、在光照開路狀態下分別測量各光陽極的電化學阻抗譜圖，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，結果表明經擬合計算，實施例3的光陽極具有最大的光生電子擴散系 數，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 一化後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』 _ 二甲基甲醯胺 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』 - 二環己基碳二亞胺後， 將混合溶液升溫至80°C反應18小時；接著，將透明導電玻璃13用丙酮洗滌乾淨後，放置於 如圖2所示的靜電紡絲裝置中，在距離13. 6釐米的不鏽鋼針頭10和錫箔12兩端加上30 千伏的高壓，保持1分鐘後，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電玻璃13上形成8微米厚的石墨烯複合的半導 體納米晶膜；然後升溫至450°C煅燒半小時，之後降溫至10(TC ；最後將薄膜浸泡到3 X10-4 摩爾/升的N719乙腈與叔丁醇的混合溶液中24小時，即得到本發明的石墨烯複合染料敏 化太陽能電池的光陽極。使用場發射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察上述實施例4製備得到的本發明的石墨烯 複合染料敏化太陽能電池的光陽極，結果類似圖3所示，可以看出該光陽極中石墨烯片14 立在導電玻璃表面。將上述實施例1、2和4製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中的性能測試並比較測試結果，各項測試結果均與實施例3中的結果相似。
權利要求
石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極，包括透明導電基底、形成在透明導電基底表面的半導體納米晶膜、以及吸附在半導體納米晶膜表面的染料層，其特徵是所述的半導體納米晶膜是半導體納米晶顆粒與石墨烯的複合薄膜，所述的石墨烯排列在所述的透明導電基底表面，並且所述的石墨烯的片狀面與所述的透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°。
2.根據權利要求1所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極，其特徵是所述 的石墨烯的片狀面與所述的透明導電基底表面之間的夾角大於30°且小於150°。
3.根據權利要求1所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極，其特徵是所述 的石墨烯的片狀面與所述的透明導電基底表面之間的夾角大於60°且小於120°。
4.根據權利要求1、2或3所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極，其特徵是 所述的半導體納米晶顆粒是Ti02、ZnO, SnO2或SrTiO3的納米晶顆粒；所述的染料層為N3、 N719或Z907 ；所述的透明導電基底包括透明基底和導電層，所述的透明基底是玻璃基底， 所述的導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電金屬氧化物。
5.如權利要求1所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，其特徵 是包括如下步驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然後放入經羥基化處理的透明導電基底，在 催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導電基底表面的羥基發生酯化反應使片狀結 構的石墨烯一端修飾到透明導電基底表面；步驟2 將步驟1得到的透明導電基底浸泡在高分子易揮發溶液中進行超聲誘導，使石 墨烯的片狀面與透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°，取出後進行乾燥處理， 使溶劑揮發、高分子固化在該透明導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得到的透明導電基底上塗抹半導體納米晶顆粒漿料至適量厚度，在 150 350°C煅燒0. 5 4小時，然後升溫至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 在半導體納米晶薄膜上。
6.根據權利要求5所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，其特 徵是所述的步驟1中的非水溶劑是N，N』 - 二甲基甲醯胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙 腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞碸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』 - 二環己基碳二亞胺、二氯亞碸和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.根據權利要求5所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，其特 徵是所述的步驟2中石墨烯的片狀面與透明導電基底表面之間的夾角大於60°且小於 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.如權利要求1所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，其特徵 是包括如下步驟步驟1 將石墨烯超聲分散在非水溶劑中，然後放入經羥基化處理的透明導電基底，在催化劑條件下加熱，石墨烯端部的羧基與透明導電基底表面的羥基發生酯化反應使片狀結 構的石墨烯一端修飾到透明導電基底表面；步驟2 將步驟1得到的透明導電基底置於靜電紡絲裝置中，調節電壓使石墨烯的片狀 面在靜電力作用下與透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180° ；然後在靜電紡絲裝 置的注射器中加入半導體納米晶顆粒漿料，半導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電基底上形成石墨烯複合的半導體納米晶膜；步驟3 將步驟2得到的透明導電基底浸泡在染料的有機溶液中敏化，使染料分子吸附 在半導體納米晶薄膜上。
9.根據權利要求8所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，其特 徵是所述的步驟1中的非水溶劑是N，N』 - 二甲基甲醯胺、四氫呋喃、甲苯、乙醇、丙酮、乙 腈、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亞碸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』 - 二環己基碳二亞胺、二氯亞碸和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.根據權利要求8所述的石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極的製備方法，其 特徵是所述的步驟2中石墨烯的片狀面與透明導電基底表面之間的夾角大於60°且小於 120°。
全文摘要
本發明公開了石墨烯複合染料敏化太陽能電池的光陽極及其製備方法。本發明的光陽極的特點是石墨烯排列在透明導電基底表面，並且石墨烯的片狀面與該透明導電基底表面之間的夾角不等於0°與180°，該夾角最優選為90°。與現有技術相比，本發明的光陽極不僅可以將光生電子更快速的轉移到外電路、儘可能減少電子與電解質的複合，還可以減少石墨烯對光的吸收面積、提高電池的光利用率，因此本發明的光陽極可以提高光電能量轉換效率；相應地，採用本發明的光陽極的染料敏化太陽能電池相對於未複合石墨烯的染料敏化太陽能電池以及現有的石墨烯複合的染料敏化太陽能電池，光電能量轉換效率分別提高了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 優先權日2010年7月29日
發明者周明, 崔平, 許高傑 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所