[發(fā)明專利]石墨烯摻雜于染料敏化太陽能電池的陽極材料及其制法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310098681.5
• 申請日: 2013-03-25
• 公開（公告）號: CN103151173A
• 公開（公告）日: 2013-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫岳明;景堯;代云茜;王嘯天;龍歡;施燕瓊;陳宇超;王躍明
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: H01G9/042
• 分類號: H01G9/042;H01G9/20;C02F1/46
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于染料敏化太陽能電池領(lǐng)域，尤其涉及石墨烯摻雜于染料敏化太陽能電池的陽極材料及其制法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

染料敏化太陽能電池（簡稱DSSC）是一種模擬自然界光合作用的光伏器件，由多孔陶瓷納米顆粒薄膜層、吸附在陶瓷表面的染料分子、含有I^-/I₃^-氧化還原對的電解質(zhì)組成。該類電池的成本低廉、制備工藝簡單、綠色無污染、轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到11％，商業(yè)可觀，顯示出良好的發(fā)展前景。

電紡陶瓷納米纖維由相互連接的細(xì)小納米晶體組成，晶界少，比表面積高，是優(yōu)良的DSSC光陽極材料（Jannik?M.It’s?still?all?about?grapheme.Nature?materials,2011,1,1.）。將一維半導(dǎo)體納米纖維（例如TiO₂、ZnO）紡織在導(dǎo)電玻璃表面，DSSC具有可觀的光電轉(zhuǎn)換效率（Mi?Y.S.,Do?K.K.,Kyo?J.I.,et?al.Electrospun?TiO₂?electrodes?for?dye-sensitized?solar?cells.Nanotechnology,2004,15,1861-1865.）。石墨烯的片狀結(jié)構(gòu)是優(yōu)異的電子受體，它表現(xiàn)出了優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，超高的載流子遷移率、超大的比表面積和良好的鐵磁性使其成為目前已知的在常溫下導(dǎo)電性能最好的材料（KamatP.V.J.Phys.Chem.Lett.,2010,1,520．）。將石墨烯與陶瓷材料的復(fù)合，多數(shù)是將三維的陶瓷顆粒（如P25）吸附于二維的石墨烯薄膜表面（Zhang,H.;Lv,X.;LiY.;WangY.;LiJ.ACSNano,2010,4,380.），利用石墨烯良好的載流子遷移率和導(dǎo)電性從而提高半導(dǎo)體的電子傳輸性能，在催化領(lǐng)域和太陽能電池領(lǐng)域都有新的突破。

在處理廢水中，電催化降解過程中的傳質(zhì)因素決定了電極的反應(yīng)速度及電流效率。電催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是提高電化學(xué)方法處理廢水效率的一個關(guān)鍵因素。將染料敏化太陽能電池應(yīng)用于電催化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)中，將會降低廢水處理的單位成本，使該技術(shù)應(yīng)用于低碳環(huán)保領(lǐng)域，將更具有競爭力。

發(fā)明內(nèi)容

解決的技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種石墨烯摻雜于染料敏化太陽能電池的陽極材料及其制法和應(yīng)用。將石墨烯同時引入染料敏化太陽能電池（DSSC）光陽極的光電材料和基底導(dǎo)電層，增強了陽極的電子傳輸性能和催化性能，進(jìn)而增強了整個電池的光電轉(zhuǎn)化效率。將具有優(yōu)良性能的陽極封裝成大電池應(yīng)用于電催化技術(shù)廢水處理中能夠起到降低能耗、節(jié)約成本的作用，使整個催化降解過程低碳環(huán)保，在高濃度有機廢水處理方面表現(xiàn)出更強的競爭力。

技術(shù)方案：石墨烯摻雜于染料敏化太陽能電池的陽極材料，由以下步驟制備而得：

a.采用靜電紡絲技術(shù)制備一維石墨烯/陶瓷復(fù)合納米纖維：將氧化石墨烯乙醇溶液注入電紡前驅(qū)體溶液中，其中氧化石墨烯在電紡前驅(qū)體溶液中的添加比例為1wt%-15wt%；電紡過程中溫度為20-25℃，濕度為20%-30%，流速為0.2-0.8mL/h，靜電壓為15.5-16.5kV，用潔凈的鋁箔收集復(fù)合纖維，在氮氣條件下450℃-600℃燒結(jié)3-6h；

b.制備石墨烯導(dǎo)電基底：將氧化石墨烯旋涂在潔凈的石英片表面，在惰性氣氛保護條件下450℃-650℃燒結(jié)，對氧化石墨烯進(jìn)行熱分解，獲得石墨烯/石英片導(dǎo)電基底，其中氧化石墨烯的濃度為5-10g/L，旋涂速度為50-200r/min，惰性氣氛為氮氣和氬氣，程序升溫速率為1℃/min-5℃/min；

c.將所得一維石墨烯/陶瓷復(fù)合納米纖維混入P25二氧化鈦光陽極中，摻雜比例為2.5-20wt%，采用靜電噴霧噴涂在石墨烯導(dǎo)電基底表面，電噴速度為0.05-0.1mL/h，針頭施加靜電高壓為5kV，針頭與基底導(dǎo)電面距離為3cm，噴涂時間為10min-30min后，在惰性氣體180-600℃條件下共燒結(jié)，得到摻雜有石墨烯的染料敏化太陽能電池陽極材料。

所述電紡前驅(qū)體由配比為2.5mL陶瓷前驅(qū)體,0.3g聚乙烯吡咯烷酮，3mL無水乙醇和3mL的冰醋酸組成。

所述陶瓷前驅(qū)體為鈦酸異丙酯、硝酸鈰或乙酰丙酮鋅。

石墨烯摻雜于染料敏化太陽能電池的陽極材料的制備方法，步驟為：