[發明專利]一種氮摻雜石墨烯對電極制備方法及其在染料敏化太陽能電池中的應用

在審

• 申請號: 201410763091.4
• 申請日: 2014-12-13
• 公開（公告）號: CN104465113A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 孫喆;張亞珂;王輝;梁茂;薛松
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01G9/20
• 分類號: H01G9/20
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 李益書

【技術領域】

本發明屬于無機碳材料在光電轉換技術領域的應用，具體涉及一種氮摻雜石墨烯對電極的制備方法及其作為染料敏化電池對電極的應用。

【背景技術】

????染料敏化太陽電池以其簡單的制造工藝、低廉的生產成本和較高的光電轉換效率成為具有潛在商業價值的新一代薄膜光伏器件。典型的染料敏化太陽電池由有機（或者無機）染料敏化的二氧化鈦薄膜、液態碘電解質和鉑對電極組成。其中，碘電解質雖然具有良好的氧化還原活性和較高的離子擴散速率，但是此類電解質存在著吸收短波可見光、腐蝕金屬導線和過高的氧化還原電位等缺陷，影響了敏化電池效率的提高和電池組件的長期穩定性。

近年來，大量的非碘氧化還原電對被應用于染料敏化電池體系中，以彌補碘電解質在染料敏化電池中應用中的缺陷。典型的非碘氧化還原電對包括鈷配合物電對、鎳配合物電對、銅配合物電對以及二硫化物有機電對等。一些研究表明，目前常用的鉑對電極對部分非碘氧化還原電對，諸如銅配合物電對、二硫化物有機電對的催化活性較低，不適于與這些電對的配合使用組成敏化電池。為了解決這一問題，多種碳材料，諸如炭黑、碳納米管、石墨烯等已經被廣泛用于催化非碘電解質氧化還原反應對電極的制備。碳基對電極的應用不僅提高了非碘敏化電池光電轉換效率而且較之鉑電極大幅度降低了對電極的生產成本。

在碳對電極材料中，氮摻雜石墨烯對電極以其高催化活性和高穩定性受到了廣泛重視。目前，應用于敏化電池的氮摻雜石墨烯制備的水熱合成路線制備的氮摻雜石墨烯易形成石墨烯凝膠，干燥后的石墨烯凝膠在制備對電極無法均勻涂膜和粘結，進而影響了其在敏化電池中的應用。

【發明內容】

本發明的目的是針對氮摻雜石墨烯作為染料敏化電池對電極材料應用中存在的問題，提供一種非均相水熱方法合成氮摻雜石墨烯以及基于這種石墨烯的對電極制備技術。通過這一技術可以方便的使用刮刀方法制備的氮摻雜石墨烯薄膜對電極。將對電極應用于染料敏化太陽能電池后，克服了涂膜不均勻和粘結困難的缺陷，大幅度提高了電池的的短路電流密度、開路電壓和光電轉換效率，具有顯著的技術效果。

本發明的具體技術方案如下：

一種氮摻雜石墨烯對電極的制備方法，包括如下兩個步驟：

1）氮摻雜石墨烯漿料的制備

將采用Hummer方法制備的氧原子含量為20?-30?%（原子百分數）的氧化石墨烯粉末，在機械攪拌條件下溶于去離子水中，配成濃度為0.5-3?mg/mL的溶液。取50mL上述氧化石墨烯水分散液，加入1-10?g尿素和2-16?g質量百分比濃度為98%的濃硫酸，攪拌15min，形成氧化石墨烯水熱反應前驅體。將上述混合物置于聚四氟乙烯反應釜中，在180^oC下反應1-20?h。將經過水熱反應后形成的氮摻雜石墨烯沉淀物用去離子水和乙醇混合溶液洗至pH值等于7.0，其中去離子水和乙醇的體積比為0.2-5.0。將氮雜石墨烯懸浮液置于離心機中于3500rpm下離心分離30分鐘得到氮雜石墨烯漿狀物，其質量濃度為60-90%。

2）使用刮刀方法將步驟1）中所得氮摻雜石墨烯漿狀物涂布于1.5cm×2cm?方塊電阻15Ω的FTO導電玻璃上，使用透明膠帶將涂布石墨烯漿料層的厚度控制在60um。其后，將負載氮摻雜石墨烯的導電玻璃置于馬弗爐于80-400?℃下燒結2小時，制得氮摻雜石墨烯對電極；

上述氮摻雜石墨烯對電極可應用于染料敏化太陽能電池中，其應用方法為：

將納米晶二氧化鈦漿料涂覆于經過清洗烘干的FTO導電玻璃表面，于450℃燒結得到的二氧化鈦薄膜。將薄膜加熱至70-90?℃后浸入光敏染料中吸附24-48小時形成二氧電極化鈦薄膜并作為光陽極，將上述制得的氮摻雜石墨烯對電極作為光陰極，在光陽極和對電極之間填充鈷基電解質并封裝。

其中鈷基電解質的組成為0.25M鄰菲羅啉鈷(II)六氟化磷鹽{[Co(II)(phen)₃](PF₆)₂}、0.05M鄰菲羅啉鈷(III)六氟化磷鹽{[Co(III)(phen)₃]?(PF₆)₃}、0.1M二(三氟甲基磺酰)亞胺鋰(LiTFSI)和1.0M叔丁基吡啶(tBP)的乙腈溶液。

本發明的優點和積極效果：