[發明專利]新型碳納米管薄膜太陽能電池對電極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210554813.6
• 申請日: 2012-12-20
• 公開（公告）號: CN103021663A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發明（設計）人: 馬杰;李程;周慧明;陳君紅;旃瀾紓;李子夢
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20
• 代理公司: 上海天協和誠知識產權代理事務所 31216
• 代理人: 葉鳳

技術領域

本發明屬于能源納米新功能材料技術領域，具體涉及一種新型碳納米管薄膜太陽能電池對電極的制備方法，采用氧化石墨烯作為表面活性劑顯著提高碳納米管的分散性能，使得碳管易于成膜，將其應用染料敏化太陽能電池中具有較好的光電轉化效率。?

背景技術

當煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭”的潔凈天然能源，成為最有希望開發利用的能源之一。目前，太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業、商業、農業、?通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區、高山、沙漠、海島和農村使用，以節省造價很貴的輸電線路。但是在目前階段，它的成本還很高，發出1kW電需要投資上萬美元，因此大規模使用仍然受到經濟上的限制。目前市場上銷售的光伏電池主要是單晶硅為原料生產的。由于單晶硅電池生產能耗大，一些專家認為現有單晶硅電池生產能耗大于其生命周期內捕獲的太陽能，是沒有價值的。最樂觀的估計是需要10年左右時間，使用單晶硅電池所獲得的太陽能才能大于其生產所消耗的能量。而單晶硅是石英砂經還原，融化后拉單晶得到的。生產過程能耗大，產生的有毒有害物質多，環境污染嚴重。?

染料敏化太陽能電池（Dye?Sensitized?Solar?Cell，簡稱DSSC）作為第三代太陽能電池具有價格相對低廉、制作工藝簡單、擁有潛在高光電轉換效率的特點，可能取代傳統硅系太陽能電池，成為未來太陽能電池的主導。在DSSC實際工作中，電流通過對電極時會產生極化現象，形成超電勢，引起電勢的損失，進而影響了電池的性能。傳統對電極制備一般采用透明導電玻璃作為基體，在基底上鍍一層高催化活性貴金屬鉑作為對電極材料來改善其催化活性。雖然鉑電極具有較好的催化活性，但是價格昂貴，同時在I^-/I^3-酸性電解質溶液中，長時間工作貴金屬Pt的催化性能會降低，影響了太陽能電池的使用壽命和光電轉換效率。同時作為對電極基底材料的透明導電玻璃，成本較高、剛性強易碎，不能應用于柔性太陽能電池的研發，上述問題的存在限制DSSC產品種類的開發和普遍推廣使用。開發太陽能電池新型對電極材料，提高其活性、耐腐蝕性和穩定性，對降低DSSC的成本、提高效率、延長壽命、促進民用化推廣具有非常重要的意義。?

碳材料以高導電性、對I₂的抗腐蝕性以及對I^3-還原的高反應活性成為最具吸引力的替代材料，價格相對低廉，有望替代貴金屬鉑成為DSSC對電極的新型材料，得到廣泛關注。實際研究結果發現與傳統的貴金屬鉑電極性能相比，早期碳電極的電化學催化活性偏低，其原因可能是電極表面多孔碳的膜層較厚(膜厚導致電子傳輸距離增大)，碳材料與導電基底附著不夠致密、牢固,從而限制了電子傳輸，提高了對電極的接觸電阻，導致電池的光電轉換效率有所下降。?

采用具有良好電學性能、高比表面積的碳納米管（CNTs）作為對電極材料，雖然在提高電催化活性方面取得了一定的進展，目前仍然存在不足之處，其光電轉化的效率仍未能超過傳統的Pt對電極。其可能存在的原因是：雖然目前采用高導電性、高比表面積的CNTs材料，但是普遍采用的是將CNTs粉末作為制備薄膜原始材料，通過抽濾噴涂或添加粘合劑等方式形成CNTs薄膜作為對電極材料，上述加工成膜方式可能存在以下問題：1、粘合劑的添加不可避免的增加了碳管相互連接的接觸電阻，進而增加了薄膜電極方塊電阻，降低了對電極的總體性能。2、碳納米管分散溶液制備過程中需要添加表面活性劑作為分散劑，表面活性劑后續去除中采用強酸和高溫的方法不可避免的會對薄膜的性能產生不利影響。上述問題的存在可能會極大的降低碳納米管薄膜整體性能，使得碳納米管優異性能潛力未能充分的發揮出來。因此如何制備均勻碳納米管分散溶液，保持碳納米管的優異性能是目前碳納米管薄膜作為對電極材料迫切需要解決的問題之一。?

發明內容

本發明的目的在于立足于具有高活性碳納米管薄膜對電極材料的制備方法。?

本發明首次采用具有兩性特性的氧化石墨烯作為表面活性劑，利用氧化石墨烯的添加能顯著增加碳納米管的分散性能，避免了傳統制備工藝中由于添加表面活性劑和粘合劑的所導致的后續性能下降的難題。添加后的氧化石墨烯通過后續熱處理過程將其轉化成具有良好電學性能的石墨烯，從而不但避免因添加氧化石墨烯帶來的不利影響，且提高了碳納米管薄膜的整體電學性能。?